物理所基于材料基因組的鋰電池固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)取得進(jìn)展

　　材料基因組是近年來興起的材料探索方法，其研究的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)材料研發(fā)的“高通量”，即并發(fā)式完成“一批”而非“一個(gè)”材料樣品的計(jì)算模擬、制備和表征，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的篩選和優(yōu)化材料，從而加快材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的過程。在鋰電池中，從改善安全性的角度考慮，全固態(tài)鋰電池被公認(rèn)為未來二次電池的重要發(fā)展方向。然而使用固體電解質(zhì)材料的一個(gè)最大問題是固體電解質(zhì)中鋰離子電導(dǎo)率比常規(guī)液態(tài)電解質(zhì)中低了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于鋰離子的輸運(yùn)快慢與電池性能息息相關(guān)，因此開發(fā)兼具高離子電導(dǎo)率、高穩(wěn)定性、高機(jī)械強(qiáng)度的固體電解質(zhì)材料勢在必行。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）清潔能源實(shí)驗(yàn)室E01組近年來一直致力于將材料基因組思想用于鋰電池材料的開發(fā)中。但是基于量子力學(xué)方法的離子輸運(yùn)性質(zhì)計(jì)算的運(yùn)算量很大，不適合于發(fā)展高通量算法。研究人員通過開發(fā)基于半經(jīng)驗(yàn)勢的離子輸運(yùn)路徑與勢壘計(jì)算軟件BVpath（計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記號(hào)：2015SR161954），并將不同計(jì)算精度的方法相結(jié)合用于材料篩選和優(yōu)化的不同階段，由此發(fā)展了基于離子輸運(yùn)性質(zhì)的鋰電池材料高通量計(jì)算流程。使用該高通量計(jì)算工具，研究人員對(duì)無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中1000 余種含鋰材料的離子輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了高通量計(jì)算篩選，搜索了可能用于下一代固態(tài)鋰二次電池的固態(tài)電解質(zhì)材料【J Materiomics 1,325(2015)】。對(duì)于鋰離子電導(dǎo)率較高的硫化物，采用不同精度結(jié)合的高通量計(jì)算研究了固體電解質(zhì)β-Li3PS4 的摻雜優(yōu)化方案，發(fā)現(xiàn)氧摻雜能有效提高離子電導(dǎo)率和改善其熱力學(xué)穩(wěn)定性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案【Sci. Rep. 5, 14227(2015); Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 21269(2016)】。

　　近期，該課題組中國工程院院士陳立泉、研究員李泓和副研究員肖睿娟指導(dǎo)博士生王雪龍，從上述氧摻雜硫化物的方案出發(fā)，提出了在固體電解質(zhì)中引入多種陰離子共存的設(shè)計(jì)思想，并據(jù)此設(shè)計(jì)出一種全新的氧硫化物固體電解質(zhì)LiAlSO材料。通過基于晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測方法的高通量計(jì)算，確定了該材料的晶體結(jié)構(gòu)，并研究了其熱力學(xué)穩(wěn)定性、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和離子輸運(yùn)性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果顯示該化合物在a軸方向具有很低的鋰離子遷移勢壘，屬于快離子導(dǎo)體，有望成為固態(tài)鋰電池中固體電解質(zhì)的備選材料。該材料已申請國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利保護(hù)（專利申請?zhí)? 201710046965.8）。這是基于材料基因組思想開發(fā)出的第一個(gè)全新結(jié)構(gòu)的固體電解質(zhì)材料，并且將固體電解質(zhì)材料的研究范圍拓展至氧硫化物及混合陰離子化合物的領(lǐng)域。這一研究成果作為編輯推薦論文在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters 118, 195901 (2017)）上發(fā)表。

　　通過建立適用于鋰二次電池新材料開發(fā)的高通量計(jì)算理論工具與研究平臺(tái)，研究人員初步實(shí)現(xiàn)了材料基因組思想在鋰電池新材料研發(fā)中的示范應(yīng)用，上述材料基因組方法的成功應(yīng)用為進(jìn)一步將信息學(xué)引入高通量計(jì)算數(shù)據(jù)的分析、實(shí)現(xiàn)材料大數(shù)據(jù)解讀提供了基礎(chǔ)，并為在其他類型材料的研究過程中推廣這種新的研發(fā)模式提供了可能。這一方向的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委（11234013）、科技部（2015AA034201）、北京市科委（D161100002416003）、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2016005）以及北京市材料基因聯(lián)盟的大力支持。

圖1 通過計(jì)算預(yù)測得到的（a）Pmc2₁空間群LiAlSO的晶體結(jié)構(gòu)，沿（b）b-軸和（c）c-軸的視圖以及（d）計(jì)算得到的聲子譜?；疑ⅫS色和紅色的圓球分別代表Li，S和O原子。四面體代表AlS₂O₂單元。

圖2 計(jì)算得到的Pmc2₁-LiAlSO的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。（a）通過BVpath程序計(jì)算得到的LiAlSO中的鋰離子輸運(yùn)通道以及由密度泛函方法計(jì)算得到（b）Li⁺沿a方向由間隙離子與晶格位離子協(xié)同運(yùn)動(dòng)的遷移勢壘，（c）Li⁺沿a軸方向空位遷移的勢壘，（d）Li⁺沿c方向間隙離子遷移的勢壘。