这个简单的改进有望解决固态电池的难题

1月7日，韩国科学技术院（KAIST）宣布，材料科学与工程系徐东和教授带领的研究团队取得重大突破。该项目汇集了首尔国立大学郑成均教授、延世大学郑允锡教授和东国大学南庆完教授带领的研究人员。他们共同开发出一种全固态电池关键材料的新型设计方法，使用廉价原材料，同时保持高性能并降低起火或爆炸风险。

为何固体电解质更安全却更难优化？传统锂离子电池依靠液态电解质让锂离子在电极间移动。全固态电池用固体电解质替代这种液体，极大提高了安全性。但锂离子在固体中的移动速度较慢，过去为加快其移动速度的努力往往依赖昂贵金属或复杂制造技术。

利用晶体化学加速锂离子移动：为解决这一问题，研究人员专注于改善锂离子在固体电解质中的传输方式。他们的策略核心是使用氧和硫等“二价阴离子”。这些元素通过成为电解质基本框架的一部分来影响其晶体结构，从而改变离子在材料内部的移动方式。

研究团队将这一理念应用于低成本锆（Zr）基卤化物固体电解质。通过精心引入二价阴离子，他们能够精确调整材料的内部结构。这种被称为“框架调控机制”的方法，拓宽了锂离子可通过的路径，并降低了其移动所需的能量。因此，锂离子能在固体材料中更快、更高效地移动。

先进工具证实结构改进：为确认这些结构变化达到预期效果，研究人员依靠一系列先进分析方法，包括：高能同步辐射X射线衍射（Synchrotron XRD）、对分布函数（PDF）分析、X射线吸收光谱（XAS）以及用于电子结构和扩散的密度泛函理论（DFT）建模。这些技术使团队能够仔细观察晶体结构如何变化，以及这些变化如何影响锂离子移动。

使用廉价材料实现性能提升：测试表明，向电解质中添加氧或硫后，锂离子迁移率较传统锆基电解质提高了2至4倍。这一改进表明，全固态电池无需依赖昂贵材料就能达到适合实际应用的性能水平。在室温下，氧掺杂电解质的离子电导率约为1.78 mS/cm，硫掺杂版本约为1.01 mS/cm。离子电导率衡量锂离子在材料中的移动难易程度，室温下超过1 mS/cm通常被认为足以满足实际电池应用需求。

推动电池创新转向更智能设计：徐东和教授解释了这项工作的更广泛意义，他表示：“通过这项研究，我们提出了一种设计原则，能够利用廉价原材料同时改善全固态电池的成本和性能，其工业应用潜力非常高。”第一作者金宰承强调，该研究凸显了电池研究的转变，将注意力从单纯选择新材料转向设计更好的结构。

发表与研究支持：该研究由共同第一作者金宰承（KAIST）和韩多瑟（东国大学）牵头，于2025年11月27日发表在国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。研究资金由三星电子未来技术促进中心、韩国国家研究基金会和国家超级计算中心提供。