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文 章 信 息
卤化物固体电解质基全固态电池：离子传输动力学、失效机制和改进策略
第一作者：徐若楠
通讯作者：王志远*，张隆*
单位：东北大学，福建师范大学
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研 究 背 景
卤化物固体电解质由于其特殊的性能而成为一个突出的研究领域。目前，由于优化的结构框架、先进的合成方法以及基于卤素化学的增强的物理机械变形能力，人们对卤化物固体电解质的研究兴趣日益浓厚。本文旨在全面介绍卤化物固体电解质离子输运动力学机理，并对卤化物固体电解质基全固态电池的研究现状及未来发展前景进行综述。
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文 章 简 介
近日，来自东北大学的王志远教授与福建师范大学的张隆教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Halide solid electrolytes in all-solid-state batteries: ion transport kinetics, failure mechanisms and improvement strategies”的综述文章。该综述主要总结了卤化物固体电解质的离子输运动力学，以及卤化物固体电解质基全固态电池的失效机制及相关改进策略，为指导创新型卤化物固体电解质的开发提供了有价值的见解。
图1. 卤化物固体电解质基全固态电池的离子输运、失效及改进策略概述。
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本 文 要 点
要点一：卤化物固体电解质中的离子输运
本文综述了各种卤化物固体电解质离子传导的动力学机制，提出了阳离子半径、离子载体流体和阴离子构型在离子传导中的有效作用。具有非晶结构的卤化物固体电解质的快速离子传导现象也引起了人们越来越多的关注。此外，优化制备工艺不仅可以促进固体电解质内部晶体结构的良好转变，而且可以影响卤化固体电解质粉末的粒径。建模和理论计算技术之间的协同作用提供了更全面的理解，特别是在离子输运水平上，增强了整体的理论完整性。
图2. 卤化物固体电解质的晶体结构和离子输运动力学。
要点二：卤化物电解质基固态电池的失效机理
目前，阻碍卤化物固体电解质发展的主要障碍是固体电解质本身对环境因素，特别是水和空气的敏感性，以及电极与固体电解质之间界面的失效。此外，热稳定性和机械刚度也不容忽视，因为它们会影响电解质颗粒之间和不同电极固体电解质界面之间的接触。
图3. 电极和固体电解质界面的离子输运失效。
图4. 卤化物固体电解质存在的物理和化学限制。
要点三：提高卤化物固体电解质及电池稳定性的策略
本文针对卤化物固体电解质基固体电解质失效情况，提出了一系列相关解决方案来解决离子在界面上的传输和应用中的故障。电解质的修饰、界面层的制备、双层电解质的构建以及化学/电化学稳定性的优化都对卤化物固体电解质中离子的快速传输起着重要的作用。
图5. 电极和固体电解质界面的修饰。
图6. 有关卤化物固体电解质的压力，环境及电化学稳定性。
要点四：前景和展望
卤化物固体电解质具有离子电导率高、化学稳定和安全性好等优点，有望应用于固体锂离子电池等领域。虽然在快速离子导体卤化物固体电解质的开发和对其界面稳定性的理解方面取得了一些进展，但需要进一步努力解决某些挑战。一般来说，卤化物固体电解质需要在材料设计、界面工程和制备工艺等方面进一步研究和优化，才能在电池技术中得到广泛应用。
（1）在高性能、高稳定固体电解质制备中取得进一步突破。在一些电池系统中，离子传输的有效性仍然受到限制，这阻碍了它们的充放电速率和整体性能。通过控制材料结构和优化掺杂位点，开发具有高离子电导率（>10 mS cm-1）的环境友好型固体电解质至关重要。非晶态基体中具有不同结构的各种基团可以为离子传导提供大量的活性位点，保证离子传导的快速进行。氧气的掺入可能会显著提高固体电解质本身的空气稳定性。因此，氧卤化物固体电解质为实现高离子电导率和强空气稳定性提供了设计潜力
（2）克服卤化物固体电解质的电极/固体电解质界面不相容性。为了降低界面阻抗，提高循环稳定性，必须提高卤化物固体电解质与电极材料之间的界面稳定性。对于负极和固体电解质的不相容性，虽然有研究者提出了薄膜或界面层的制作工艺，但这无疑会增加设计的复杂性。因此，设计一种对负极稳定的卤化物电解质需要提上日程，以减少锂金属阳极的界面不稳定性。另外，由于不相容的阳极触点导致电池容量损失，这涉及到复合阳极材料与卤化物固体电解质的匹配。
（3）提高卤化物固体电解质的机械变形程度。某些卤化物固体电解质在高温、高压条件下会发生机械变形或损坏，影响电池的使用寿命和安全性。为固体电解质设计合适的压力，可以有效防止高压造成的固体电解质裂纹的产生。因此，有望开发具有多功能性能的复合材料，或增加固体电解质本身的柔韧性，改善固体电解质的力学和电化学性能。
（4）引入人工智能技术。近年来，研究人员将机器学习技术引入科学研究，建立了一种新的数据驱动研究范式。在离子输运领域，机器学习的集成克服了传统方法的局限性，在阐明输运机制方面显示出巨大的潜力。此外，当与大数据分析相结合时，人工智能在预测离子传输性能和设计新型锂离子导体方面表现出更高的效率。
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文 章 链 接
Halide solid electrolytes in all-solid-state batteries: ion transport kinetics, failure mechanisms and improvement strategies.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110435
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通 讯 作 者 简 介
王志远教授简介：东北大学秦皇岛分校教授。2013年获天津大学材料科学专业博士学位，后在东北大学秦皇岛资源与材料学院工作。主要研究方向为锂/钠离子电池先进电极材料和全固态可充电锂电池卤化物基固体电解质的开发。
张隆教授简介： 福建师范大学教授，闽江学者。他获得维也纳大学物理化学博士学位，并荣获2010年den Loschmidt-Preis奖。之后，他在密歇根州立大学从事博士后材料研究。2011-2023年在燕山大学工作。他目前的研究重点是用于全固态可充电锂/钠电池的硫化物和卤化物固体电解质。
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第 一 作 者 简 介
徐若楠：东北大学博士研究生，导师为王志远教授。研究方向为用于能量存储和转换的固态锂电池，包括卤化物和硫化物固体电解质及其界面设计。
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