迄今為止，商業化鋰電池多采用具有揮發性和易燃性的有機電解質，存在一系列安全問題。而全固態鋰電池因其固有的安全性和熱穩定性，被認為是極具應用前景的下一代電池技術。成功構筑全固態鋰電池的關鍵在于找到兼具高離子電導率和高界面穩定性的固態電解質材料。

近日，浙江工業大學材料科學與工程學院新能源材料與技術研究所陶新永教授課題組與中國科學技術大學姚宏斌課題組、李震宇課題組合作，在《Nature》發表題為《A LaCl₃-based lithium superionic conductor compatible with Li metal》的研究論文。該研究揭示了一類鑭系金屬鹵化物基固態電解質新材料Li_xM_yLn_zCl₃ (Ln為鑭系金屬元素，M為非鑭系金屬元素)。

團隊成員發現，以LaCl₃為代表的鑭系金屬鹵化物LnCl₃（Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm等）晶格中天然具有豐富的一維大尺寸孔道，適合鋰離子的高速傳輸，并可通過鑭空位形成連續的三維傳導。分子動力學模擬表明，具有獨特非密堆積原子排列方式的LaCl₃晶格框架可實現13.2 mS cm^-1的室溫離子電導率（圖1）。團隊成員選擇高價摻雜策略來制造鑭空位，得益于大尺寸高速離子通道和相鄰通道間超強的交換作用，優化的Li_0.388Ta_0.438La_0.475Cl₃表現出3.02 mS cm^-1的高室溫離子電導率和0.197 eV的低活化能，優于氧化物電解質和傳統鹵化物電解質，可與部分硫化物電解質相媲美。La的低電負性和梯度界面層的形成賦予了LaCl₃基電解質對鋰金屬良好的穩定性，組裝的鋰金屬對稱電池以0.2 mA cm^-2的電流密度和1 mAh cm^-2的面容量可穩定循環5000小時以上。基于此，組裝的全固態鋰金屬電池無需負極墊層和正極包覆等額外的常用界面穩定手段，即可實現室溫中百圈以上的循環。此外，團隊成員還發現，鑭系金屬鹵化物可在容納大量異種非鑭系金屬元素的同時仍保持快離子傳輸的UCl₃晶型結構特征。這個性質賦予了鑭系金屬鹵化物框架極強的可拓展性，使鑭系金屬鹵化物固態電解質Li_xM_yLn_zCl₃在未來通過合理的元素設計，具備實現更高界面穩定性、更快離子傳導和更廉價原料成本的巨大潛力。具備UCl₃晶型特征結構的鑭系金屬鹵化物固態電解質Li_xM_yLn_zCl₃將成為如硫化物中LGPS結構、氧化物中LLZO結構的一個全新的電解質家族。

中國科學技術大學姚宏斌教授、李震宇教授與浙江工業大學陶新永教授為本文的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、中科院先導計劃等項目的資助。浙江工業大學陶新永課題組主要負責了本工作全固態鋰電池材料的微結構表征（冷凍電鏡觀測）和界面穩定機制研究，其他相關系列研究成果近期發表在了《Science》、《Nature Energy》等期刊上。（論文鏈接：doi: 10.1038/s41586-023-05899-8）