“我們研發了一種新型高性能鋰離子導體，改變了人們對于快鋰離子導體的理解。”英國利物浦大學博士后韓國鵬博士表示。

日前，他和所在團隊結合機器學習與結構預測，構建了一種高性能固態電解質的新型設計策略。圖 | 韓國鵬（來源：韓國鵬）研究中，他們利用兩種陰離子硫和碘重現了類似于金屬間化合物 NiZr 的結構網絡，成功合成了一種新型固態電解質 Li7Si2S7I（LSSI），構建了一條利用多種鋰離子配位環境的三維鋰離子快速傳導路徑。不同于其他材料的單一配位環境，LSSI 具有 15 個不同的鋰離子位點，其三維鋰離子傳輸路徑利用了多用不同的鋰離子配位環境，所以它是一種室溫鋰離子電導率能夠罕見地達到傳統液態電解質的固體材料。與此同時，本次研究結合使用機器學習，來識別可能的化學體系并進行排序，通過實驗表征、以及計算模擬，課題組分析了傳輸性能并獲得了鋰傳輸的微觀路徑。總的來說，本次研究提出了一個全新的材料設計理念，改變了人們對于高性能固態電解質的認識。為鋰離子電池固態電解質這一關鍵挑戰領域開辟了新方向，拓寬了高性能固態電解質的結構化學空間，有望對新材料的發現產生重大影響。和其他固態電解質材料相似，未來課題組還可進一步優化該材料的各項性能，比如優化與正極材料的兼容性等，以期成為下一代固態電解質的優秀候選者。更重要的是，他們所構建的材料設計新方法，將會促進發現更多優異性能的新固態電解質材料。據介紹，作為最具潛力的下一代電池的有力競爭者，全固態電池由于其高的安全性和優異性能而受到廣泛關注和研究。而作為全固態電池的核心材料，研發出可供實際使用的固態電解質成為其中的關鍵一環。目前，已經研發出的、可與傳統液態電解質電導率相比擬的固態電解質材料數量有限，且存在各自的主要短板。所以，發展出更多性能優異的固態電解質材料成為當務之急。在目前性能最優異的固態電解質中，離子的快速傳導路徑常常具有單一的配位幾何形狀。因此，要想在固態材料中獲得可比擬傳統有機液態電解質的離子電導率，固態材料的結構中就需要存在這樣一條離子傳輸路徑：即沿著傳輸路徑的各個位點配位數的變化要盡可能地小。最理想的情況是存在一條具有單一配位環境地離子傳輸通道，以最大程度地減小傳輸路徑上的能量壁壘。因此，高性能固態電解質材料的設計重點，被聚焦在能夠提供最小配位變化路徑的結構上，從而將注意力限制在極少數幾種結構類型中。而目前的材料限制了優異性能的固態電解質材料的結構和化學空間，例如具有 BCC 陰離子框架的 Li10GeP2S12 和 Li7P3S11、以及具有 argyrodite 結構的 Li6PS5Cl。研究發現，相比于固態電解質材料，金屬間化合物具有更加豐富的結構多樣性。而其復雜的結構網絡，產生了配位數和幾何構型不同的間隙位點。并且，很多金屬間化合物具有非常優異的氫吸附性能和傳導性能。這說明氫可以占據在金屬間化合物結構網絡的間隙位點中，并可以快速遷移。這一點啟發了本次團隊在新型固態鋰離子導體上的設計靈感。設想一下，如果能用兩種或多種不同的陰離子，來重現同樣由兩種或多種不同金屬元素構成的金屬間化合物的結構網絡。而鋰離子可以像氫在金屬間化合物的結構網絡中那樣快速躍遷，從而產生高的鋰離子導電率。那么，必將極大拓展快離子導體的結構設計空間，進而發現更多性能優異的新型固態電解質材料，從而為全固態電池的發展奠定材料基礎。（來源：Science）由于目前的高性能固態電解質被局限在少數幾種結構類型中，限制了新優秀材料的發現。而韓國鵬目前所在團隊是一個研究領域非常多元的大組，匯聚了具有不同學科背景的專業人才。在一次項目會議的討論過程中，受到組內專注于做金屬間化合物結構和性能相關工作的啟發，他們萌生了最初的想法。既然金屬間化合物具有優異的氫儲存和傳導性能，并且可以利用不同配位環境的間隙位點。如果將這類結構網絡以某種方式引入到鋰離子導體的陰離子結構框架中，也許可以發現新型的性能優異的鋰離子導體。而且相比于鋰離子導體，金屬件化合物的結構多樣性十分豐富，如果這一想法能夠實現，那將大大拓展陽離子導體的結構設計空間。那么，接下來需要回答的問題自然是如何才能實現這一點。他們的想法是，鑒于金屬間化合物有兩種及以上不同的金屬原子參與了結構的形成。如果他們也使用兩種不同的陰離子，也許可以重現出具有類似二元金屬間化合物結構網絡的陰離子框架。然后，再用具有強共價鍵的元素來穩定該陰離子框架，其他間隙位點再由鋰離子填充。有了這個想法之后，他們使用經過訓練的 AI 模型，來定量地根據新相形成的可能性，針對相應的體系進行排序，并通過結構預測來縮小具體實驗探索的目標組分。然后，再根據理論預測的結果，以及通過大量的實驗，進行相應的結構表征和性能表征。（來源：Science）科學研究是一個特別考驗耐心和意志力的職業，因為失敗是常事，而成功則是件稀罕事，常常需要通過無數次的失敗探索才能逐漸靠近目標。曾經一段時間，本次項目被卡在了某個關鍵節點，大半年時間都沒有明顯進展。再加上很多人都參與到這個項目之中，大家都付出了很大心血，并且抱有很高期待。而工作又在韓國鵬這邊卡住了，他感受到了很大的壓力。后來，他的導師也開始著急了，將平時兩三周一次的工作跟進會議增加到了一周一次，這進一步增加了韓國鵬的工作量和焦慮感。漸漸的這種焦慮感開始從工作上蔓延到了平時的生活中，讓他第一次體驗到了“至暗時刻”。韓國鵬是一個在生活上喜歡“散漫”的人，但是很快他就開始調整自己的心態。工作上的事情一步步按照自己的節奏去做，不能因為壓力大而自亂陣腳。同時，不能讓工作上的壓力太影響日常生活，于是他反而恢復了暫停了數月之久的每日“電影時刻”，即重新開始在工作之余看電影放松自己。后面經過幾個月的奮戰，他順藤摸瓜理清了問題的根源并成功地解決了它，從而將自己從這種壓力中解脫出來，那一刻真是有一種“清風拂我面，送我上青云”的感覺。韓國鵬表示：“后來，這個項目僅在論文寫作階段的討論會議就有幾十次之多，在這種交流中學到了很多，也讓我深刻的感受到了團隊合作的力量和嚴謹認真的學術氛圍。”最終，相關論文以《通過雙陰離子堆積定義的多種配位環境進行超離子鋰傳輸》（Superionic lithium transport via multiple coordination environments defined by two-anion packing）為題發在 Science[1]。圖 | 相關論文（來源：Science）韓國鵬是第一作者，英國利物浦大學馬修·J·羅塞因斯基（Matthew J. Rosseinsky）教授和約翰·克拉里奇（John B.Claridge）教授擔任共同通訊作者。參考資料：1.Han, G., Vasylenko, A., Daniels, L. M., Collins, C. M., Corti, L., Chen, R., ... & Rosseinsky, M. J. (2024). Superionic lithium transport via multiple coordination environments defined by two-anion packing.Science, 383(6684), 739-745.
排版：希幔

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