全固態鋰電池因兼具安全性和高能量密度成為當前電池研究的熱點，而構築這一新型電池的關鍵在於找到合適的固態電解質材料。為了有針對性地設計離子傳輸性能優異的固態電解質，就必須先充分理解鋰離子在固體中的遷移機理。
中國科學技術大學馬騁教授課題組與中外學者合作，在鋰電池固態電解質的離子傳輸機理研究上取得重要發現。研究者用球差校正透射電鏡直接觀測到了一種奇特的非周期性機構。該結構儘管只有一個原子層厚，但卻能對鋰離子的傳輸產生顯著影響，從而成為除了晶界、點缺陷以外的又一類需要受到固態鋰電池研究者密切關注的非周期性結構。該研究成果近日發表在《自然—通訊》上。
和所有其他材料一樣，固態電解質由具備周期性特徵的理想晶體結構和在局部區域擾亂這種周期性的「非周期性結構」共同組成。非周期性結構可以對離子電導率造成數量級的影響，因此它們對研究離子傳輸機理的重要性常常超過周期性結構。文獻中對於鋰電池固態電解質中非周期性結構的研究大多集中於晶界和點缺陷，而馬騁卻發現了另一類可對離子傳輸產生重要影響的非周期性結構。通過球差校正透射電鏡對一種經典固態電解質鋰鑭鈦氧進行觀測，研究者發現大量單原子層缺陷。不同於晶界、層錯等已知的非周期性結構，這種缺陷由一層化學成分、原子排列都不同於鋰鑭鈦氧的單原子層物質組成，並且它們只會沿著特定的晶體學取向出現。這一微觀特質導致所觀察到的單原子層缺陷常常相互連接，形成閉合迴路。
「這些缺陷結構儘管為數眾多，但卻很難被觀察到。」文章的第一作者、中國科學技術大學的博士研究生朱峰說道，「它們只有從少數幾個晶體學取向才能被看到，而且由於只有一個原子層厚，還常因為其他同時存在的微觀結構而很難被注意到。因此，儘管固態電解質已被研究多年，但這種非周期性結構卻直到今天才被我們發現。」
「這種非周期性結構就像單原子層構築的『圍城』：裡面的鋰離子出不來，外面的鋰離子進不去。」馬騁說，「因此，儘管它們本身只有一個原子層厚，但卻可以讓相當一部分體積的材料無法參與離子傳輸，從而劇烈降低材料整體的鋰離子傳輸效率。」
基於球差校正透射電鏡的觀測結果，研究者通過理論計算發現這些缺陷儘管只有一個原子層厚，但其特殊的原子構型卻可以徹底阻止鋰離子在垂直方向上穿過。因此，當它們相互結合形成閉合迴路後，鋰離子無法進入或離開被缺陷封閉的體積，從而導致這部分材料被隔絕於整體的離子傳輸之外。電鏡觀測已證實該現象在樣品中大量存在，而且離子電導率將因此下降約1—2個數量級。
研究者把這種獨特的非周期性結構命名為「單壁鋰阱」。它的發現表明除了晶界、點缺陷以外的非周期性結構也有可能強烈地影響離子傳輸，因此在其他重要體系中也急需開展類似的研究。《自然—通訊》的審稿人對該工作的科學意義給予高度肯定，認為「這篇文章讀起來激動人心，報導了一個非常新奇的觀測結果」，並且認為 「它將在固態電解質/固態電池領域，甚至更普遍的在材料科學和電子顯微學共同體中激起廣泛討論」。
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15544-x
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