陶新永/李震宇/姚宏斌Nature：能与金属锂相容的LaCl3基锂超离子导体

无机超离子导体，具有较高的离子导电性和良好的热稳定性，但其与锂金属电极的界面相容性差，阻碍了其在全固态锂金属电池中的应用。

在此，来自浙江工业大学的陶新永和中国科学技术大学的李震宇&姚宏斌等研究者，报道了一种基于LaCl₃的锂超离子导体，它与锂金属电极具有良好的界面相容性。相关论文以题为“A LaCl₃-based lithium superionic conductor compatible with lithium metal”于2023年04月05日发表在Nature上。

全固态锂金属电池（ASSLMBs）的使用，可以解决传统锂离子电池的安全性和能量密度问题。

虽然固态电解质（SEs）是ASSLMBs的一个重要组成部分，但目前没有一种单一的SE具备ASSLMBs所需的所有性质，包括高离子导电性、软晶格以实现亲密的固-固接触和广泛的电化学窗口。

缺乏这些性质会导致先前报道的无机SEs存在电极兼容性问题，例如劣质的电极界面接触（氧化物SE）、低电极界面稳定性（硫化物SE）和与锂金属快速失效的界面恶化（卤化物/硫化物SE），从而限制了它们在ASSLMBs中的实际应用。

因此，一种具有ASSLMBs中电极兼容性所需属性的锂超离子导体是非常可取的。

无机SE的Li⁺导率取决于晶格设计。先前报道的硫化物(Li₁₀GeP₂S₁₂)、氧化物(Li_0.34La_0.51TiO_2.94)和卤化物(Li₃InCl₆) SEs由于晶格优化，表现出高室温离子电导率，超过1 mS cm⁻¹。

在此，研究者提出了一种Li⁺导电的LaCl₃晶格，具有P6₃/m空间群的UCl₃型结构，具有不同于传统的六角形紧密堆积(如Li₃YCl₆和Li₃HoCl₆)和立方型紧密堆积(如Li₃ScCl₆和Li₃InCl₆)的非紧密堆积阴离子晶格。

相较于Li₃MCl₆（M = Y、In、Sc和Ho）电解质晶格，UCl₃型LaCl₃晶格具有大量的一维通道，可实现快速的Li⁺传导，这些通道通过Ta掺杂的La空位相互连接，形成三维Li⁺迁移网络。

优化后的Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃电解质在30℃时表现出3.02 mS cm⁻¹的Li⁺导电性和0.197 eV的低激活能。它还产生了梯度界面钝化层，用于长期循环Li-Li对称电池（1 mAh cm−2）超过5,000 h。

当与未涂层的LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极和裸露的Li金属负极直接耦合时，Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃电解质使得固态电池能够在4.35 V的截止电压和1 mAh cm⁻²的面积容量下运行100多个循环。

研究者还展示了镧系金属氯化物（LnCl₃；Ln = La、Ce、Nd、Sm和Gd）中的快速Li⁺传导，表明LnCl₃固态电解质系统可以进一步发展导电性和应用价值。

图1. 提出了一种基于LaCl₃晶格的Li⁺超离子导体的结构模型及相应的Li⁺迁移机理

图2. Li_xTa_yLa_zCl₃的Li⁺电导率及Li⁺化学环境的鉴定

图3. Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃ SE对Li金属电极的界面稳定性

图4. Li/Li_0.3888Ta_0.238La_0.475Cl₃/NCM523 ASSLMB的电化学性能

作者介绍

李震宇，中国科学技术大学教授、博士生导师。多年来一直致力于分子尺度的物性与机理研究。研究成果在国际刊物上发表论文140余篇，被引用6200 余次（H-index 为42）。2006年全国优秀博士学位论文作者，入选2008年教育部新世纪优秀人才支持计划，获得2018年度国家自然科学基金委国家杰出青年科学基金项目资助。

研究组从材料的电子结构出发，采用多尺度计算与模拟方法，对材料物性、薄膜生长、化学反应、电子输运、分子光谱等进行研究，涉及化学、物理、材料以及生物等多学科交叉。1.动力学过程与化学反应的微观机理；2.功能材料的理论设计与计算表征；3.分子器件的输运性质；4.密度泛函理论及相关数值方法

陶新永，教授，博士生导师。博士毕业于浙江大学，先后加入美国南卡大学、斯坦福大学从事博士后、访问学者研究。

现任科学技术研究院副院长（主持工作），材料科学与工程学院副院长，国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、浙江省杰出青年基金获得者，获教育部“新世纪优秀人才支持计划”、浙江省“钱江高级人才”计划支持，入选浙江省“151人才工程”第一层次、浙江省“高校领军人才培养计划”创新领军人才。

主要从事新型储能材料基础理论及应用研究，近年来主持国家自然科学基金和省部级项目13项，主持和参与企业应用项目20余项；共发表SCI收录论文180余篇，以第一或通讯作者在Science、Nat. Energy、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.等影响因子大于10的期刊上发表60余篇；论文共被引用1.8万次，入选ESI高被引论文21篇，H因子为69；获授权发明专利42项；合作编写英文书籍章节2章；应邀作国际会议邀请报告30余次；应邀担任IEEE-NANO 2013国际会议分会主席、第2届中国能源材料化学研讨会组委会委员、中国化学会第31届年会中新澳青年化学家论坛主席；担任Nature、Nat. Energy、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等30余个国际知名期刊审稿人或仲裁人。

姚宏斌，1983年12月出生于重庆，现为中国科学技术大学化学系教授、博士生导师。2006年本科毕业于中国科学技术大学化学系；2011年在合肥微尺度国家实验室获得博士学位，导师为俞书宏教授；2012年开始在美国斯坦福大学开展博士后研究工作，合作导师崔屹教授；2015年8月至今在中国科学技术大学化学系从事仿生材料与新能源转换与存储方面的研究工作。

近年来，在Nat. Commun.，Chem. Soc. Rev.，Angew. Chem.，JACS, Nano Letters，Adv. Mater. 等高影响力学术期刊发表了60余篇论文，被SCI引用2600余次，H因子30。其中有8篇论文被选为Angew. Chem.、Adv. Mater. 等杂志的内/外封面。原创性成果多次被NPG Asia Materials, Materials Views China, Chemistry views等在内的众多专业媒体予以亮点报道和专题述评。

文献信息

Yin, YC., Yang, JT., Luo, JD. et al. A LaCl₃-based lithium superionic conductor compatible with lithium metal. Nature 616, 77–83 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05899-8

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