物理所基于材料基因組的鋰電池固態(tài)電解質設計取得進展

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

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）清潔能源實驗室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。但是基于量子力學方法的離子輸運性質計算的運算量很大，不適合于發(fā)展高通量算法。研究人員通過開發(fā)基于半經驗勢的離子輸運路徑與勢壘計算軟件BVpath（計算機軟件著作權登記號：2015SR161954），并將不同計算精度的方法相結合用于材料篩選和優(yōu)化的不同階段，由此發(fā)展了基于離子輸運性質的鋰電池材料高通量計算流程。使用該高通量計算工具，研究人員對無機晶體結構數據庫中1000 余種含鋰材料的離子輸運性質進行了高通量計算篩選，搜索了可能用于下一代固態(tài)鋰二次電池的固態(tài)電解質材料【J Materiomics 1,325(2015)】。對于鋰離子電導率較高的硫化物，采用不同精度結合的高通量計算研究了固體電解質β-Li3PS4 的摻雜優(yōu)化方案，發(fā)現氧摻雜能有效提高離子電導率和改善其熱力學穩(wěn)定性，并通過實驗驗證了該方案【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中引入多種陰離子共存的設計思想，并據此設計出一種全新的氧硫化物固體電解質LiAlSO材料。通過基于晶體結構預測方法的高通量計算，確定了該材料的晶體結構，并研究了其熱力學穩(wěn)定性、動力學穩(wěn)定性和離子輸運性質。計算結果顯示該化合物在a軸方向具有很低的鋰離子遷移勢壘，屬于快離子導體，有望成為固態(tài)鋰電池中固體電解質的備選材料。該材料已申請國家知識產權局專利保護（專利申請?zhí)? 201710046965.8）。這是基于材料基因組思想開發(fā)出的第一個全新結構的固體電解質材料，并且將固體電解質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域。這一研究成果作為編輯推薦論文在《物理評論快報》（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)的高通量計算理論工具與研究平臺，研究人員初步實現了材料基因組思想在鋰電池新材料研發(fā)中的示范應用，上述材料基因組方法的成功應用為進一步將信息學引入高通量計算數據的分析、實現材料大數據解讀提供了基礎，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基金委（11234013）、科技部（2015AA034201）、北京市科委（D161100002416003）、中科院青年創(chuàng)新促進會（2016005）以及北京市材料基因聯(lián)盟的大力支持。

圖1 通過計算預測得到的（a）Pmc2₁空間群LiAlSO的晶體結構，沿（b）b-軸和（c）c-軸的視圖以及（d）計算得到的聲子譜?；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 計算得到的Pmc2₁-LiAlSO的動力學性質。（a）通過BVpath程序計算得到的LiAlSO中的鋰離子輸運通道以及由密度泛函方法計算得到（b）Li⁺沿a方向由間隙離子與晶格位離子協(xié)同運動的遷移勢壘，（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。