科學家們發現了一種穩定的高導電性锂離子導體，可以用作固態锂離子電池中的固體電解質。

使用固體電解質的固態锂離子電池不易燃，與液體電解質相比，具有更高的能量密度和離子轉移數。這些特點使其成爲傳統液體電解質電池（包括電動汽車）主導市場的潛在替代品。盡管有這些優點，但固體電解質也存在一些缺點，比如锂離子電導率較低，難以在電極和固體電解質之間保持足夠的接觸。

雖然硫化物基固體電解質具有導電性，但它們會與水分發生反應，形成有毒的二硫化氫。因此，爲了制造安全、高性能、快速充電的固態锂離子電池，需要一種既導電又在空氣中穩定的非硫化物固體電解質。

在最近發表在《材料化學》雜志上的一項研究中，由藤本健次郎教授、東京科學大學的Akihisa Aimi教授和DENSO 公司的吉田修平博士領導的研究小組，發現了一種穩定且高導電的燒綠石型氟氧化物形式的锂離子導體。

藤本教授表示：“制造全固態锂離子二次電池是許多電池研究人員長期以來的夢想。我們發現了一種氧化物固體電解質，它是全固態锂離子電池的關鍵組成部分，它具有高能量密度和安全性。除了在空氣中穩定外，這種材料比以前報道的氧化物固體電解質表現出更高的離子導電性。”

詳細分析與性能

本文研究的燒綠石型氟氧化物可以表示爲Li2-xLa（1+x）/3M2O6F（M=Nb，Ta）。使用各種技術對其進行了結構和成分分析，包括X射線衍射、Rietveld分析、電感耦合等離子體發射光譜法和選區電子衍射。具體來說，Li1.25La0.58Nb2O6F在室溫下的總體離子電導率爲7.0 mS cm⁻¹，總離子電導率爲3.9 mS cm⁻¹。它的電導率高于已知氧化物固體電解質锂離子的電導率。該材料離子電導率的活化能極低，在低溫下該材料的離子電導率是包括硫化物基材料在內的已知固體電解質中最高的之一。

准確地說，即使在-10°C下，新材料在室溫下也具有與傳統氧化物基固體電解質相同的導電性。此外，由于在100°C以上的導電性也已得到驗證，因此該固體電解質的工作範圍爲-10°C至100°C。傳統的锂離子電池不能在冰點以下的溫度下使用。因此，常用手機的锂離子電池的工作條件爲0℃~ 45℃。

研究了锂離子在該材料中的傳導機理。燒綠石型結構的傳導路徑覆蓋了位于MO6八面體形成的通道中的F離子。其傳導機制是锂離子的序貫運動同時改變與F離子的鍵。Li離子移動到最近的Li位置，總是經過亞穩位置。固定在F離子上的La3+通過阻斷傳導路徑和消失周圍的亞穩位置來抑制li離子的傳導。

與現有的锂離子二次電池不同，氧化物基全固態電池沒有因損壞而導致電解質泄漏的風險，也沒有像硫化物基電池那樣産生有毒氣體的風險。因此，這一新的創新有望引領未來的研究。“新發現的材料是安全的，比以前報道的基于氧化物的固體電解質表現出更高的離子電導率。這種材料的應用有望開發革命性的電池，可以在從低到高的廣泛溫度範圍內工作，”藤本教授設想道。“我們相信，固體電解質在電動汽車上的應用所需要的性能是可以滿足的。”

值得注意的是，這種新材料非常穩定，即使損壞也不會著火。它適用于飛機和其他安全至關重要的地方。它也適用于高容量應用，如電動汽車，因爲它可以在高溫下使用，並支持快速充電。此外，它也是電池、家用電器和醫療設備小型化的有前途的材料。

總之，研究人員不僅發現了一種具有高導電性和空氣穩定性的锂離子導體，而且還引入了一種新型的燒綠石型氟氧化物超離子導體。探索锂周圍的局部結構、它們在導電過程中的動態變化，以及它們作爲全固態電池固體電解質的潛力是未來研究的重要領域！

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！