用于锂离子迁移的单原子层陷阱

4月14日，科学院(CAS)科学技术大学(USTC)马成教授及其同事报告了关于电池固体电解质中锂离子迁移机制的重要发现，观察一种可以显着影响离子传输的新型微观特征。

固体电解质是安全、高能量、全固态电池的关键组成部分。在以知识为基础的方式开发高导电性固体电解质之前，必须彻底了解锂离子迁移背后的机制。在许多材料中，这项任务的成功在于能否很好地理解“非周期特征”，因为这些特征经常会导致离子电导率发生数量级的变化。目前，大多数研究只考虑了两种类型的非周期性特征，晶界和点缺陷。

马的团队发现了另一种对离子传输产生深远影响的非周期性特征。使用像差校正的透射电子显微镜，他们在原型固体电解质Li 0.33 La 0.56 TiO 3 中发现了大量单原子层缺陷。与其他众所周知的非周期性特征相比，观察到的缺陷本质上是一种仅在有限数量的原子平面上出现的单原子层化合物。由于这些平面的对称性，不同取向的缺陷几乎总是形成闭环。

“材料中其实有很多这样的缺陷环，但是很难观察到。”第一作者、博士生朱峰说。科技大学学生。“它们仅在某些方向上可见。此外，由于它们极薄且不受其他共存微结构的干扰，因此几乎不会注意到这些缺陷的存在。这可能解释了为什么直到现在还没有报道它们。”

发现观察到的缺陷表现出完全禁止锂离子迁移穿过缺陷层的原子配置。结果，当这些缺陷形成一个闭环时，锂离子既不能进入也不能离开内部的体积，这部分材料因此被排除在整体离子传输之外。以这种方式隔离的体积高达 ~15%，这可能导致离子电导率降低一到两个数量级。

“缺陷环就像一个锂离子陷阱：它阻止封闭体积内的锂离子逃逸，”该研究的第一作者、科学技术大学的马成教授说。“因此，虽然缺陷本身只有一个原子薄，但它们仍然可以‘杀死’大量的固体电解质，使其不导电。”

科学家们创造了术语“单原子层陷阱”(SALT)来描述这种独特的特征。它的发现表明，晶界和点缺陷以外的非周期性特征也可能极大地改变离子传输，因此迫切需要对其他固体电解质进行类似的研究。

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