在零下50攝氏度的極端環境下，無論是新能源汽車，還是低空飛行器，人們都有望不再為電池無法支撐而焦慮。寧波東方理工大學講席教授、中國工程院外籍院士孫學良團隊與美國馬里蘭大學莫一非教授團隊合作，開發了一種新型超離子導體，為實現高性能全固態電池提供了新的技術路徑。相關研究成果于10月10日發表在《Science》上。
研究人員開發了一種新型超離子導體：Li3Ta3O4Cl10，刷新了鹵化物基固態電解質的室溫離子電導率，達到13.7毫西門子每厘米(mS/cm)，并制備了零下50攝氏度環境下具有優異循環穩定性和倍率性能的全固態電池。同時，研究人員提出了基于“四面體到四面體(Tet-to-Tet)”四面體結構單元的快離子滲流網絡理論，并通過混合陰離子結構調控成功構建出所需的螺旋鏈狀Ta-Cl/O骨架結構，最終實現了創紀錄的超高離子電導。
作為全固態電池的核心材料之一，固態電解質材料是目前研究的一大熱點。離子電導率是固態電解質的關鍵性能，其次是固態電解質與正/負極材料之間的界面相容性。目前，固態電解質研究領域存在兩大挑戰：一是低能壘鋰傳輸路徑普遍只存在于硫化物；二是單一陰離子框架固態電解質應用遇到瓶頸。
基于長期在鹵化物固態電解質的研究基礎，孫學良院士團隊及其合作者設想了一種混合陰離子策略，旨在設計一個氧角共享的氧氯化物陰離子框架結構，以誘導形成連續的“Tet-Tet”低能壘鋰離子遷移通道。另外，鑒于不同陰離子化學在離子電導率和(電)化學穩定性方面的獨特優勢，這種方法可在保持高離子電導率的同時，替代液態電解質并增強電化學穩定性。
研究表明，該電解質材料相較于傳統的硫化物(Li6PS5Cl)和鹵化物材料(Li3YCl6)具有顯著提高的空氣穩定性。該材料結構還具有高晶格容忍度的特點，適用于各類陰陽離子摻雜，用以實現低成本應用和金屬鋰兼容性。所構建的全固態電池在室溫條件下實現了高倍率(3C)充放電超過4000圈的穩定循環表現。在極端低溫環境下，電池在0.1C電流密度下仍可穩定循環超過2000圈。
這項成果為理解和應用混合陰離子固態電解質提供了新思路，有望加速全固態電池從實驗室走向實際應用。未來，研究團隊將繼續在上述研究方向上深耕，包括優化材料的合成工藝以適應大規模生產，并進一步探索其在全固態鋰金屬電池中的應用。
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