通过聚阴离子配位化学提高氟化物电解质的离子导电性，从而实现5伏级全固态电池

《Joule》：Boosting ionic conductivity of fluoride electrolytes by polyanion coordination chemistry enabling 5 V-Class all-solid-state batteries

本研究通过多阴离子配位策略开发新型氟化固态电解质Li_xTi(PO4)_x/3F4，显著提升离子导电性（较Li2TiF6提高两个数量级），并在5V类全固态电池中实现高循环稳定性（容量保持率91.6%），为高能量密度电池提供新途径。

　　

背景与规模

向电动汽车和电网规模储能系统的过渡需要更安全、能量更高的电池。全固态电池（ASSBs）用无机固态电解质（SSEs）替代了易燃的液态电解质，从而提高了安全性并提升了能量密度（例如，通过匹配高电压正极材料）。基于氟的固态电解质因其出色的稳定性而成为5伏级超高压ASSBs的有希望的候选材料，但其较低的离子导电性限制了实际应用。在这项研究中，我们通过多阴离子配位策略设计了一种氟化物电解质（Li_xTi(PO₄)_x/3F₄），实现了创纪录的高导电性（比类似的Li₂TiF₆高出两个数量级）和优异的稳定性。这一突破使5伏级ASSBs的性能得到了显著提升。这项研究为开发高导电性氟化物SSEs开辟了新的途径，为提高5伏级ASSBs的性能提供了有效的策略。

亮点

• 采用多阴离子配位策略制备了玻璃态Li_xTi(PO₄)_x/3F₄

• Li_1.3Ti(PO₄)_1.3/3F₄的Li⁺导电性比Li₂TiF₆提高了200倍

• 高离子导电性得益于较弱的Li⁺-F^?/PO₄^3?相互作用和灵活的网络结构

• 稳定且高Li⁺导电性的界面使得5伏级固态电池性能更优

总结

氟化物固态电解质（SSEs）具有优异的电化学稳定性，理论上非常适合用于高电压全固态电池（ASSBs），但其较低的Li⁺导电性限制了实际应用。在这里，我们利用多阴离子配位策略开发了一类氟化物SSEs（Li_xTi(PO₄)_x/3F₄），该电解质具有高离子导电性和超高压稳定性。特别是Li_1.3Ti(PO₄)_1.3/3F₄（1.16 × 10^?5 S cm^?1）的Li⁺导电性比类似的Li₂TiF₆提高了两个数量级。实验和理论分析表明，Li_xTi(PO₄)_x/3F₄的高离子导电性源于Li⁺与周围物质的相互作用减弱以及灵活的网络结构。值得注意的是，Li_1.3Ti(PO₄)_1.3/3F₄的优异离子导电性和超高压稳定性使其成为低电阻、高稳定性的电解质-电极界面，使得基于5 V级LiNi_0.5Mn_1.5O₄的ASSBs在1 C电流和30°C温度下经过200次循环后仍能保持91.6%的容量。这项研究的发现为设计高导电性氟化物SSEs开辟了新的途径，为在高能量密度ASSBs中应用高电压正极材料铺平了道路。

图形摘要