據(jù)外媒報道，近期發(fā)表在期刊《科學（Science）》上的一項研究介紹了一種極具潛力的固態(tài)電解質(zhì)材料，該材料有望提升下一代鋰電池的性能，尤其是在低溫環(huán)境下。伊利諾伊理工大學（Illinois Institute of Technology）化學系研究教授James Kaduk是該論文的共同作者，其為這項研究做出關鍵貢獻：確定鋰原子在晶體結(jié)構(gòu)中的位置。

圖片來源：《科學（Science）》（2025）

這篇題為“陰離子亞晶格設計實現(xiàn)晶體鹵氧化物中的超離子電導率”（"Anion Sublattice Design Enables Superionic Conductivity in Crystalline Oxyhalides" ）的論文描述一種名為氯氧化鉭鋰（LTOC）的新型材料。即使在低溫下，該材料也具有高離子電導率和低活化能，有望促進高性能固態(tài)電池的開發(fā)。鋰是已知最輕的金屬，由于其離子易于移動，能夠高效地存儲和釋放能量，因此被廣泛應用于電池中。了解鋰離子在這種新型材料中的移動方式對于解釋LTOC異常優(yōu)異的性能至關重要。

Kaduk表示：“我的貢獻雖然微不足道，但最終卻很有用。真正讓我興奮的是找到原子的位置?！盞aduk的任務并不簡單。他常用的繪制原子結(jié)構(gòu)圖的主要工具——X射線衍射——難以探測氫和鋰等較輕的元素，尤其是在它們被鉭等較重的元素包圍時。Kaduk解釋道：“由于X射線會被電子散射，而鋰只有三個電子，因此尋找起來格外困難。”

Kaduk并沒有直接尋找鋰原子，而是采用一種間接的方法，即尋找鋰原子可能存在的空隙。由于原子之間無法重疊，一旦確定較重原子的位置，Kaduk就能找到它們之間足夠容納鋰離子的微小空隙。通過逐步縮小搜索范圍，Kaduk最終確定出一系列位點，即晶體結(jié)構(gòu)中允許微小粒子進入和移動的開放位置，這些位點可以容納鋰離子。這些位點彼此距離很近，使得鋰離子能夠輕松地從一個位點“跳躍”到另一個位點。這一細節(jié)至關重要。結(jié)構(gòu)分析顯示，鉭、氧和氯之間存在長而剛性的鏈，這些鏈之間形成開放的通道。鋰離子在這些通道中擴散，其移動效率比目前電池中沿材料長度方向的移動效率更高。這一過程有助于制造性能更佳的電池，因為鋰離子在結(jié)構(gòu)中移動越自由，電池的性能就越好。

在確定鋰原子的位置后，研究團隊利用量子力學計算對該結(jié)構(gòu)進行測試，以確認其穩(wěn)定性。

Kaduk表示：“我們應用了所謂的‘密度泛函量子力學技術’來優(yōu)化結(jié)構(gòu)。在這種情況下，結(jié)構(gòu)幾乎保持了精修后的狀態(tài)，這為結(jié)構(gòu)的正確性提供了額外的證據(jù)。”該結(jié)構(gòu)所揭示的開放通道有助于解釋這種材料最有前景的特性之一。即使在低溫下，這種材料也能很好地導電鋰離子。這一特性使其在從電動汽車到寒冷氣候下的儲能等諸多應用領域具有極高的價值。

盡管Kaduk的工作只是龐大國際合作項目的一部分，但其貢獻幫助人們將一個有趣的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為對材料工作原理更清晰的理解，使研究人員離設計更高效的電池更近一步。對Kaduk而言，最大的成就感來自于解開這個分子謎題。Kaduk表示：“僅僅基于一些非常簡單的想法就能完成這項工作，這非常令人滿足，尤其是當你進行量子力學計算，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與鋰原子的位置吻合良好時，你會更有信心。”