單壁鋰阱：圍困鋰離子的單原子層壁壘
單壁鋰阱的原子像
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Nature Communications 近期發(fā)表的一項研究Single-atom-layer traps in a solid electrolyte for lithium batteries表明，一種在固態(tài)電解質(zhì)研究中不曾被考慮過的非周期性結(jié)構(gòu)——單壁鋰阱（single-atom-layer trap, SALT），可以像晶界、點缺陷等受到普遍關(guān)注的非周期性結(jié)構(gòu)一樣對鋰離子傳輸產(chǎn)生重要影響。
全固態(tài)鋰電池因其在安全性和能量密度上的雙重優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注，而成功構(gòu)筑這一電池的關(guān)鍵在于合成離子傳輸性能優(yōu)異的固態(tài)電解質(zhì)。為了實現(xiàn)這個目標，研究者必須充分地理解鋰離子在材料中的傳輸機理。在固態(tài)電解質(zhì)中，偏離理想晶體結(jié)構(gòu)的“非周期性結(jié)構(gòu)”往往可以極大地抑制或促進鋰離子的傳輸，甚至能導(dǎo)致離子電導(dǎo)率發(fā)生幾個數(shù)量級的改變。因此，為了全面的理解離子傳輸機理，必須先充分研究這些能劇烈影響離子傳輸?shù)姆侵芷谛越Y(jié)構(gòu)。
在以往的機理研究中，受到普遍關(guān)注的非周期性結(jié)構(gòu)主要包括晶界和點缺陷兩大類，而中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的馬騁教授和美國馬里蘭大學(xué)的莫一非教授發(fā)現(xiàn)了另一類能顯著影響離子傳輸?shù)姆侵芷谛越Y(jié)構(gòu)。通過球差校正透射電鏡對經(jīng)典固態(tài)電解質(zhì)Li0.33La0.56TiO3的觀測，作者發(fā)現(xiàn)了大量單原子層缺陷。不同于晶界、層錯等非周期性結(jié)構(gòu)，這些缺陷相當(dāng)于一層外延生長在Li0.33La0.56TiO3上的單原子層第二相。由于這種外延生長只發(fā)生在特定的晶體學(xué)取向，大部分單原子層缺陷會相互連通，進而形成閉合的環(huán)。結(jié)合電鏡觀測和理論計算，作者發(fā)現(xiàn)盡管組成閉環(huán)的缺陷只有一個原子層厚，但它們特殊的結(jié)構(gòu)可以徹底阻止鋰離子穿過缺陷所在的平面。因此，當(dāng)這些缺陷形成閉環(huán)時，鋰離子將無法進出被封閉的體積，從而使得這部分材料并不能參與整體的鋰離子傳輸，就像陶瓷中因無法充分致密化而殘留的孔隙一樣。大量電鏡觀測結(jié)果表明這種缺陷環(huán)在樣品中普遍存在，其影響等同于增加約15.1 vol%的孔隙，以及約1-2個數(shù)量級的離子電導(dǎo)率損失。作者將這種可以顯著影響鋰離子傳輸?shù)奶厥夥侵芷谛越Y(jié)構(gòu)命名為“單壁鋰阱”（single-atom-layer trap, SALT）。
單壁鋰阱的發(fā)現(xiàn)不僅為材料優(yōu)化指出了新的方向，還為離子傳輸機理的研究提出一個重要的關(guān)注點：除了晶界、點缺陷以外，或許還存在更多未被發(fā)現(xiàn)但卻能顯著影響離子傳輸?shù)姆侵芷谛越Y(jié)構(gòu)。為了充分理解固態(tài)電解質(zhì)中鋰離子的遷移行為，研究者必須盡可能全面的在更多材料體系中進行類似的探索。
注：本文轉(zhuǎn)載自Nature自然科研。
