簡述基於材料基因組的鋰電池固態電解質設計取得的進展[朗讀]

在鋰電池中，從改善安全性的角度考慮，全固態鋰電池被公認為未來二次電池的重要發展方向。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液態電解質中低了至少一個數量級。由於鋰離子的輸運快慢與電池性能息息相關，因此開發兼具高離子電導率、高穩定性、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/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）清潔能源實驗室e01組近年來一直致力於將材料基因組思想用於鋰電池材料的開發中。但是基於量子力學方法的離子輸運性質計算的運算量很大，不適合於發展高通量算法。研究人員通過開發基於半經驗勢的離子輸運路徑與勢壘計算軟體bvpath（計算機軟體著作權登記號：2015sr161954），並將不同計算精度的方法相結合用於材料篩選和優化的不同階段，由此發展了基於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資料庫中1000餘種含鋰材料的離子輸運性質進行了高通量計算篩選，搜索了可能用於下一代固態鋰二次電池的固態電解質材料【jmateriomics1,325(2015)】。對於鋰離子電導率較高的硫化物，採用不同精度結合的高通量計算研究了固體電解質β-li3ps4的摻雜優化方案，發現氧摻雜能有效提高離子電導率和改善其熱力學穩定性，並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，提出了在固體電解質中引入多種陰離子共存的設計思想，並據此設計出一種全新的氧硫化物固體電解質lialso材料。通過基於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，並研究了其熱力學穩定性、動力學穩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，屬於快離子導體，有望成為固態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（專利申請號:201710046965.8）。這是基於材料基因組思想開發出的第一個全新結構的固體電解質材料，並且將固體電解質材料的研究範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》（physicalreviewletters118,195901(2017)）上發表。
通過建立適用於鋰二次電池新材料開發的高通量計算理論工具與研究平台，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中的示範應用，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，並為在其他類型材料的研究過程中推廣這種新的研發模式提供了可能。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）、中科院青年創新促進會（2016005）以及北京市材料基因聯盟的大力支持。