近日，日本東北大學(xué)與美國(guó)倫塞勒理工學(xué)院（RPI）等組成的國(guó)際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，首次系統(tǒng)揭示了氧在氯化物系固體電解質(zhì)中對(duì)離子傳導(dǎo)性能的結(jié)構(gòu)性影響，為全固體電池的材料設(shè)計(jì)提供了新的清晰指引。

研究顯示，架橋氧（Bridging Oxygen）能促進(jìn)離子移動(dòng)，而非架橋氧（Non-Bridging Oxygen）會(huì)阻礙離子傳導(dǎo)，不同材料體系需要找到最適的氧添加量，才能獲得最高性能。該成果已發(fā)表于2025年11月11日的 Journal of the American Chemical Society（JACS）。

論文信息：

DOI：10.1021/jacs.5c10564

URL：https ://doi.org/10.1021/jacs.5c10564

研究背景

全固體電池被視為下一代高安全、高能量密度儲(chǔ)能技術(shù)，其核心在于固體材料要像液體一樣讓離子自由遷移。近年興起的氯化物系固體電解質(zhì)兼具硫化物的高傳導(dǎo)性與氧化物的穩(wěn)定性，一度因“少量氧摻雜后傳導(dǎo)度意外提升”而備受關(guān)注。但氧通常被認(rèn)為會(huì)增強(qiáng)骨架強(qiáng)度、阻礙離子遷移，因此其真正作用一直不明。

研究方法

研究團(tuán)隊(duì)使用氧化鈉和五氯化鉭合成玻璃態(tài)固體電解質(zhì)，結(jié)合同步輻射 X 射線(xiàn)全散射、拉曼光譜、XPS 以及第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬，從實(shí)驗(yàn)與理論兩方面解析氧的結(jié)構(gòu)位置和 Na⁺遷移路徑。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著氧含量增加，Na⁺傳導(dǎo)率出現(xiàn)典型三階段變化：少量氧使結(jié)構(gòu)無(wú)序化，Na⁺的可移動(dòng)空間增大，傳導(dǎo)度急劇上升；中等氧含量時(shí)，形成 Ta-O-Ta 架橋氧網(wǎng)絡(luò)，提供高效的離子遷移通道，最佳比例為 x≈ 0.5-0.8（Na₂O : TaCl₅），此時(shí)室溫下實(shí)現(xiàn) 4.1 mS·cm^-1的高離子傳導(dǎo)度；當(dāng)氧過(guò)量時(shí)，非架橋氧出現(xiàn)并與 Na⁺產(chǎn)生較強(qiáng)相互作用，阻礙離子遷移，傳導(dǎo)度急降。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，適量氧即架橋氧為有利因素，過(guò)量氧即非架橋氧則為不利因素。

氧含量引起的結(jié)構(gòu)變化與鈉離子電導(dǎo)率的關(guān)系（“酸素”=氧）

研究意義

這項(xiàng)工作明確了氧在氯化物系電解質(zhì)中的結(jié)構(gòu)性角色，首次提出通過(guò)控制多陰離子的結(jié)構(gòu)位置，可顯著優(yōu)化離子傳導(dǎo)路徑。這意味著能夠更精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)下一代固體電解質(zhì)，使氧不再只是“阻礙者”，而在適當(dāng)使用時(shí)成為性能提升的關(guān)鍵，為全固體電池商業(yè)化的材料開(kāi)發(fā)提供了清晰路線(xiàn)圖。

粉體圈 Coco編譯