晶格匹配的反钙钛矿-钙钛矿复合固态电解质实现全固态电池的突破性进展

为解决传统锂离子电池易燃液体电解质的安全隐患和循环寿命问题，研究人员开发了晶格匹配的Li2OHCl1-xFx/Li0.31La0.56TiO3(LLTO)复合固态电解质体系。通过氟掺杂稳定立方相结构，界面晶格失配率降至0.8%，熔融渗透工艺实现电极充分浸润。该研究在《Nature Communications》发表的全固态电池展现出优异倍率性能和92%的循环保持率，为安全储能系统提供新方案。

　　

随着便携设备、电动汽车和可再生能源技术的普及，高性能储能需求激增。传统锂离子电池虽具有能量密度优势，但液态电解质的易燃特性带来严重安全隐患，且存在容量衰减、环境风险等问题。全固态电池(ASSB)被视为下一代储能解决方案，然而氧化物固态电解质需要高温烧结，硫化物电解质易产生有毒气体，这些技术瓶颈严重阻碍其商业化进程。

日本物质材料研究机构(NIMS)的研究团队创新性地提出晶格匹配的复合电解质体系，将熔融渗透性优异的反钙钛矿Li₂OHCl与快离子导体钙钛矿LLTO相结合。通过原子尺度模拟预测界面锂离子扩散行为，采用氟掺杂策略将立方相稳定至室温，使晶格失配率从1.1%降至0.8%。相关成果发表在《Nature Communications》上，为开发安全、长寿命的全固态电池开辟了新途径。

研究团队运用了多项关键技术：通过副本交换蒙特卡洛(REMC)模拟优化晶体结构，采用机器学习的PFP势函数进行分子动力学(MD)计算预测离子扩散路径，开发压力辅助熔融渗透工艺实现电极充分浸润，结合X射线衍射(XRD)和飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)表征材料界面特性。

【Modeling of lattice-matched composite solid electrolytes】章节显示，立方相Li₂OHCl与LLTO的(100)晶面界面能最低(0.8 J/m²)，氟掺杂使晶格参数收缩至3.87 ?。键价能垒(BVEL)分析表明F掺杂创造了额外的Li⁺迁移通道，分子动力学模拟证实其室温电导率提升至3.3×10^-5 S/cm。

【Synthesis and analysis】部分证实，548K热压制备的复合电解质密度达99%，XRD显示F掺杂量x=0.1时立方相占比100%。电化学阻抗谱(EIS)测得Li₂OHCl_0.9F_0.1-LLTO界面电导率达1.7×10^-4 S/cm，比纯相提高两个数量级。

【Pressure-assisted melt-infiltrated ASSBs】部分展示了压力辅助熔融渗透技术的优势：5MPa压力下熔体渗透深度增加，电极孔隙率<1%。STEM-EDX显示电解质充分填充NCA正极微裂纹，组装的硬币电池在333K循环100次后容量保持率92%，0.5C倍率下仍稳定工作。

该研究通过精准的晶格工程和界面设计，解决了固态电解质与电极接触不良的核心难题。氟掺杂策略既稳定了高温相结构，又优化了界面匹配度；压力辅助熔融渗透技术实现了与传统锂离子电池电极的兼容。这种"bottom-up"的材料设计理念为全固态电池的工业化生产提供了新思路，其环境友好型组分和低温加工特性更具商业化潜力。未来通过进一步优化氟掺杂浓度和电极结构，有望实现更高能量密度和更快充放电性能的全固态电池系统。