固态锂离子电池相较于传统采用液态有机电解质的电池,在安全性、能量密度和循环寿命方面都具有显著优势。然而,固态电解质中锂离子的较低电导率限制了固态锂离子电池的发展。深入了解固态电解质中锂离子的传输机制对于开发新型固态电解质至关重要。 最近进行的实验发现,一种新型无定型玻璃状卤化锂固态电解质LiTaCl6,在室温下表现出超高的锂离子导电性(11 mS·cm-1)和极低的活化能(0.165 eV),创下了三元化合物的记录。LiTaCl6异常高的锂离子导电性表明可能存在一种与传统机制不同的锂离子传输机制。
最近,美国范德堡大学(Vanderbilt University)江德恩教授课题组,通过利用基于从头算分子动力学(AIMD)数据的准确机器学习力场(MLFF)的即时训练,成功在纳秒时间尺度上执行达到AIMD质量水平的分子动力学模拟,准确预测了锂离子的扩散活化能(0.164 eV)。作者发现,在无定型LiTaCl6中,构成TaCl6−八面体的Cl−阴离子,通过围绕Ta5+的大振幅振动,轻松断裂和重组Li-Cl键,从而实现了快速Li+离子的传导。这一独特的传导机制被命名为动态猴攀爬机制(dynamic monkey bar mechanism)。 此外,通过冻结Ta-Cl键长进行MLFF MD模拟,作者进一步探究了Cl-阴离子旋转与振动在Li+传导迁移中的作用。研究发现,Ta-Cl键的拉伸振动模式对于实现Li+离子快速迁移至关重要。当Ta-Cl键的拉伸振动被固定时,Li+离子的传导率降低了40倍。振动态密度分析显示,由于阳离子-阴离子耦合,低频模式(<5 THz)的振动增加。这进一步支持了最近的发现,即低频Li+离子模式和高频阴离子拉伸模式的非谐振阳离子-阴离子耦合会增强Li+离子的迁移。这种非对称效应使得LiTaCl6中阳离子-阴离子耦合在提高低频“好”模式的同时,降低了高频“不好”模式,为实现低活化能的Li+离子传输创造了理想条件。 论文信息 Dynamic Monkey Bar Mechanism of Superionic Li-ion Transport in LiTaCl6 Ming Lei, Bo Li, Hongjun Liu, and De-en Jiang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202315628