固态电解质锂离子输运机制研究进展

doi:10.7503/cjcu20220703

摘要/Abstract

摘要：

全球环境问题推动了可充电锂电池技术的飞速发展. 与液态电解液相比, 固态电解质不易燃, 构筑所得固态电池的安全性能得以提升. 如果能够理解固态电解质中的离子输运行为, 就能精准调控固态电池锂的动力学稳定性和倍率性能. 随着计算机技术的快速发展, 原子尺度模拟技术成为理解材料离子输运的重要手段. 针对以上问题, 本综合评述首先汇总了固体材料中的常见扩散机制; 然后介绍了固态电解质中的锂离子输运机制, 着重讨论了影响固态电解质锂离子输运的重要因素(晶体结构、电子结构、外部因素及晶界); 最后对固态电解质锂离子输运机制研究进行了总结与展望.

关键词: 固态电池, 固态电解质, 密度泛函理论计算, 分子动力学模拟

Abstract:

Global challenges have promoted the rapid development of rechargeable lithium battery technology. Solid-state electrolytes are less flammable than liquid electrolytes. If the ion transport behavior in solid electrolytes is well understood， the lithium dynamic stability and rate performance of solid state batteries can be accurately regulated. With the rapid development of calculation technology， atomic scale simulation technology has become an important method to understand the ion transport of materials. To solve the above problems， this review firstly summarizes the common diffusion mechanisms in solid materials. Then the transport mechanism of lithium ions in solid electrolytes is introduced， and the important factors（crystal structure， electronic structure， external factors， grain boundaries） affecting the transport of lithium ions in solid electrolytes are emphatically included. Finally， the transport mechanism of lithium ion in solid electrolytes is summarized and prospected.

Key words: Solid-state battery, Solid electrolyte, Density functional theory calculation, Molecular dynamics simulation

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 7

Fig.2 Schematic of single⁃ion migration and multi⁃ion concerted migration[44]The multi-ion concerted migrations exhibit lower energy barriers compared with the single-ion migrations， which are usually considered as a consequence of electrostatic repulsion between ions. Copyright 2017， Springer Nature.

Fig.4 Li⁃ion migration pathways and corresponding energy profiles in BCC(A), FCC(B), and HCP(C) sulfur lattices[69]The green/blue/orange and yellow balls denote Li and S atoms， respectively. The green and red polyhedra represent LiS4 tetrahedra and LiS6 octahedra， respectively. Copyright 2015， Springer Nature.

Fig.5 Structural analyses of common solid electrolytes with corner⁃sharing frameworks[73]Crystalline structures of common solid electrolytes with corner-sharing frameworks：（A） Li1+x Al x Ti2-x （PO4）3，（B） LiTa2PO8，（C） Li1+x Ta1-x Zr x SiO5. The tetrahedral（T） and octahedral（O） geometry of the lithium environment is described by continuous symmetry measure values. （D） The illustration of the face-sharing， edge-sharing， corner-sharing， and isolated connectivity of the framework. Copyright 2022， Springer Nature.

Fig.6 Schematic of machine⁃learning molecular dynamics simulations[82]The technological process is divided into four steps： initial AIMD sampling， descriptor construction， deep neural network training， and final machine-learning molecular dynamics production. Four types of Li sites in the solid electrolyte LGPS are shown as red， green， blue， and purple balls， respectively. Orange and blue triangles in the lattice denotes PS4 and GeS4 polyhedra， respectively. Copyright 2022， Elsevier.

Fig.7 Stability and diffusivity of interfaces between SEIs[104]（A） The binding energy of the interfaces；（B） ionic conductivity；（C） carrier concentration of the interfaces and SEI bulks；（D） vacancy formation energy in LiF/Li2O interface. The lithium， oxygen， and fluorine atoms are marked as green， red， and orange， respectively. Copyright 2022， Wiley⁃VCH.

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