研究背景

使用固态电解质（SSEs）的全固态电池（ASSBs）因其高安全性和高能量密度，被视为下一代储能技术的解决方案。在各类固态电解质中，卤化物固态电解质近年来凭借与高压正极材料的优异兼容性、良好的机械变形能力和高离子电导率，成为长寿命全固态电池最具潜力的候选材料之一。然而，氯化物固态电解质的离子电导率和对负极的稳定性仍需进一步提升，以满足全固态电池实际应用的严格要求，同时其结构与性能之间的关系仍需深入研究和阐明。

大量研究人员采用异价掺杂策略以提升卤化物固态电解质的离子电导率，常见的主要为用四价金属离子（如Zr⁴⁺、Hf⁴⁺）取代三价中心金属离子，以构建晶格缺陷、调控锂离子空位含量，进而提升离子电导率。根据电荷补偿，四价金属离子每取代一个In³⁺就产生一个Li⁺空位，进而提升Li⁺迁移能力。而相比之下，五金属离子取代每替换一个In³⁺可产生两个Li⁺空位，使空位生成效率翻倍。这种更高效的空位生成效率能在不导致结构坍塌的前提下，更高效地提高Li⁺空位浓度并改善Li⁺传输性能。目前关于五价金属离子掺杂卤化物固态电解质的研究仍相对较少，同时锂离子空位和锂离子传输性能的关系亟待进一步研究和阐明。

文章简介

本研究在Li₃InCl₆中引入五价金属离子（Ta⁵⁺），合成了一系列具有调控锂离子空位的Li_3−2xIn_1−xTa_xCl₆（LITxC，0≤x<1）电解质，探究了五价掺杂在空位工程中的潜力，并阐明了空位工程与锂离子传输行为之间的关系。最优组成Li_2.4In_0.7Ta_0.3Cl₆（LIT0.3C）在30 °C下表现出2.19 mS cm⁻¹的优异离子电导率和0.289 eV的低活化能，同时提升了电解质对LiIn负极的稳定性。因此，采用LIT0.3C电解质和LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极的全固态电池展现出卓越的循环稳定性——在0.2 C倍率下循环500次后容量保持率为84.1%，0.5 C倍率下循环1000次后容量保持率为80.7%，凸显了LIT0.3C在高性能全固态电池中的巨大应用潜力。该项研究表明，基于空位工程的异价离子掺杂能有效优化氯化物固态电解质的离子电导率，为高性能全固态电池的构建提供了新策略。

其成果以题为“Vacancy-engineered high-conductivity chloride solid-state electrolytes for long-life all-solid-state batteries”在知名期刊Sci. China Mater.上发表。

文章要点

一、提出了通过空位工程调控氯化物固态电解质结构中锂离子空位的方法，合理阐释了基于空位工程设计高电导率固态电解质的策略。

二、Ta⁵⁺的掺杂在一定程度上改善了固态电解质电解质对LiIn负极的稳定性。

三、空位工程卤化物固态电解质构建高性能全固态电池：在0.2 C倍率下循环500次后容量保持率为84.1%，0.5 C倍率下循环1000次后容量保持率为80.7%。

文章链接

https://doi.org/10.1007/s40843-025-3764-5

第一作者简介

章广文，天津大学化工学院2022级硕士生，导师为杨春鹏教授。目前致力于卤化物固态电解质及全固态电池的研究，旨在通过提高电解质离子电导率及调控界面稳定性，构建高比能长寿命全固态电池。

李德元，天津大学化工学院2022级博士研究生，导师为杨春鹏教授。以第一作者发表了Angew. Chem., Adv. Energy. Mater., Adv. Funct. Mater. 与Small多篇论文。目前致力于新型卤化物固态电解质及全固态电池的研究，旨在开发新型高性能卤化物固态电解质，构建高比能长寿命全固态电池。

肖璨，天津大学化工学院2022级本科生，导师为杨春鹏教授。目前致力于卤化物固态电解质及全固态锂金属电池的相关研究。

2025-11-02