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理论计算提出超快离子导体的设计策略

全固态锂离子电池有望成为下一代的锂离子电池,实现更高的安全性和能量密度。全固态锂离子电池的核心组成部分便是固体无机快离子导体,但目前对于其中的离子输运原理理解并不完全。近日,美国马里兰大学材料系莫一非教授研究组通过第一性原理计算,阐述了无机快离子导体中的离子输运原理,提出并证实了一种普适通用的设计快离子导体的全新策略。


基于密度泛函理论的分子动力学模拟,该团队研究了已知快离子导体中的离子运动,发现多个离子的协同跃迁是已知快离子导体中关键的输运模式,具有极低的跃迁能垒。对各快离子导体的进一步研究表明,多离子协同跃迁中各个离子所处的位置能量不尽相同。各离子协同运动时,离子能量互相抵消,便能表现出极低的能垒。基于这一理论模型,新的材料设计策略得以提出,通过掺杂激发协同跃迁,该材料的设计策略在一些新的材料中得到了证实,数种全新的快离子导体通过第一性原理计算设计预测得出。


这一成果近期发表在Nature Communications 上。美国工程院院士、加州大学伯克利分校材料系的教授Gerbrand Ceder 对该工作给予了高度评价: “Solid-state batteries are a promising new direction to provide energy storage with high energy density and good safety. This work provides another important step forward in understanding the origin of the very high Li conductivity in some solids, as it highlights the importance of high Li content in the material leading to more concerted motion.”


斯坦福大学材料系的教授崔屹表示:“Understanding the fundamental mechanism on how ions move fast in solid state will have profound impact to batteries, fuel cells and other electrochemical technologies. The work by Yifei Mo offers a new and important insight on fast ion transport and provides new materials principles for finding the new solid electrolyte.”


马里兰大学的莫一非教授课题组在固态离子导体和固态电池研究方面取得了一系列的突破和成果,相关内容发表在Nature MaterialsAdvanced Materials Journal of the American Chemical SocietyAdvanced Energy MaterialsAdvanced Science 等期刊上,主要致力于材料设计、界面稳定性和退化机理的研究以实现高效的全固态电池。


该论文的作者为:Xingfeng He, Yizhou Zhu, Yifei Mo

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Origin of Fast Ion Diffusion in Super-Ionic Conductors.

Nat. Commun., 2017, 8, 15893, DOI: 10.1038/ncomms15893


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