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VCU研發鋰超離子導體 提升固態電解質導電性

2017-10-31

  據外媒報道,弗吉尼亞州立邦聯大學(Virginia Commonwealth University,VCU)研究人員設計了新款鋰超離子導體(lithium superionic conductor),其鋰離子導電性可媲美有機電解液(organic liquid electrolytes)。

  他們在美國國家科學院院刊(National Academy of Sciences,PNAS)上發表了一篇論文。研究人員在論文中宣稱,基于團簇(Cluster)的鋰離子超導體的導電性極高,室溫下為0.01S/cm到0.1 S/cm以上,而活化能(activation energy )較低,低于0.210 eV,能帶間隙(band gap)為8.5 eV。此外,其機械性能表現也極為出色,彈性十足,可抑制鋰樹突的增多。

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  Li3SBF4材料的物理模型

  在鋰離子電池中,帶正極的鋰離子通過電解質進行流動。固態電解質可提升安全性、能量值及能量密度。然而,鋰離子卻在液態電解質內卻能自由流動。鋰離子在固態電解質內的流動性較差,對導電性產生不利影響。

  為提升固態電解質的導電性,研究人員制作了一款計算模型,可去除單個負離子。負離子團簇將取代空缺的離子,前者是原子團簇,其所帶電子(electrons)要多于質子(protons)。

  VCU研究團隊的方弘(Hong Fang)博士和Puru Jena教授實現了特定固態電解質扭曲(twist)的具象化,前者由其他人員進行過測試。最初,該電解質歸屬于反鈣鈦礦結構(antiperovskite)的晶族(family of crystals),其所含的正離子由三個鋰原子級一個氧原子構成,正離子與單個氯原子相結合,因為后者是負離子。

  在運算建模中,他們用一個負離子取代了氯原子,該負離子由一個硼原子和四個氟原子組成。

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  Li3S(BF4)0.5Cl0.5的晶體結構示意圖

  據其研究發現,鋰超離子導體Li3SBF4與Li3S(BF4)0.5Cl0.5大體上擁有成為理想固態電解質的潛質。

  Li3SBF4的能帶間隙為8.5 eV,RT導電性為0.01S/cm,活化能為0.210 eV,形成能(formation energy)相對較小,機械性能也很理想。而Li3S(BF4)0.5Cl0.5的RT導電性大于0.1S/cm,活化能為0.176 eV。

  兩位專家共同致力于在實驗室內測試其計算模型,旨在探究鋰離子電池應用的最終形態。


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