在零下50摄氏度的极端环境下，无论是新能源汽车，还是低空飞行器，人们都有望不再为电池无法支撑而焦虑。宁波东方理工大学讲席教授、中国工程院外籍院士孙学良团队与美国马里兰大学莫一非教授团队合作，开发了一种新型超离子导体，为实现高性能全固态电池提供了新的技术路径。相关研究成果于10月10日发表在《Science》上。
研究人员开发了一种新型超离子导体：Li3Ta3O4Cl10，刷新了卤化物基固态电解质的室温离子电导率，达到13.7毫西门子每厘米(mS/cm)，并制备了零下50摄氏度环境下具有优异循环稳定性和倍率性能的全固态电池。同时，研究人员提出了基于“四面体到四面体(Tet-to-Tet)”四面体结构单元的快离子渗流网络理论，并通过混合阴离子结构调控成功构建出所需的螺旋链状Ta-Cl/O骨架结构，最终实现了创纪录的超高离子电导。
作为全固态电池的核心材料之一，固态电解质材料是目前研究的一大热点。离子电导率是固态电解质的关键性能，其次是固态电解质与正/负极材料之间的界面相容性。目前，固态电解质研究领域存在两大挑战：一是低能垒锂传输路径普遍只存在于硫化物；二是单一阴离子框架固态电解质应用遇到瓶颈。
基于长期在卤化物固态电解质的研究基础，孙学良院士团队及其合作者设想了一种混合阴离子策略，旨在设计一个氧角共享的氧氯化物阴离子框架结构，以诱导形成连续的“Tet-Tet”低能垒锂离子迁移通道。另外，鉴于不同阴离子化学在离子电导率和(电)化学稳定性方面的独特优势，这种方法可在保持高离子电导率的同时，替代液态电解质并增强电化学稳定性。
研究表明，该电解质材料相较于传统的硫化物(Li6PS5Cl)和卤化物材料(Li3YCl6)具有显著提高的空气稳定性。该材料结构还具有高晶格容忍度的特点，适用于各类阴阳离子掺杂，用以实现低成本应用和金属锂兼容性。所构建的全固态电池在室温条件下实现了高倍率(3C)充放电超过4000圈的稳定循环表现。在极端低温环境下，电池在0.1C电流密度下仍可稳定循环超过2000圈。
这项成果为理解和应用混合阴离子固态电解质提供了新思路，有望加速全固态电池从实验室走向实际应用。未来，研究团队将继续在上述研究方向上深耕，包括优化材料的合成工艺以适应大规模生产，并进一步探索其在全固态锂金属电池中的应用。
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