Y/Zn双掺杂LATP固态陶瓷电解质的制备及其高离子电导率机制研究

为解决固态锂电池中LATP电解质离子电导率低、界面稳定性差等问题，研究人员通过Zn2+/Y3+双掺杂策略优化Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3材料。研究发现Y掺杂量x=0.025时离子电导率达2.8 mS/cm，循环100次容量保持率80.38%，为高性能固态电解质开发提供新思路。

　　

随着新能源汽车和可穿戴设备对高安全性储能器件的需求激增，传统液态锂离子电池因能量密度瓶颈和电解液易燃问题面临挑战。固态电池凭借不可燃、高能量密度等优势成为研究热点，但其核心组件——固态电解质的性能瓶颈亟待突破。在众多无机固态电解质中，NASICON型Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃(LATP)虽具有优异空气稳定性和宽电化学窗口，却受限于两大缺陷：一是Ti⁴⁺易被锂金属还原导致界面劣化，二是室温离子电导率普遍低于10^–3 S/cm，难以满足实用需求。

为攻克这些难题，国内研究人员创新性地采用Zn²⁺/Y³⁺双元素掺杂策略。通过固相反应法制备了Li_1.3Al_0.3–xY_xTi_1.7(PO₄)₃-Zn系列材料（x=0.01–0.2），其中Zn²⁺取代Ti⁴⁺可抑制钛离子还原，Y³⁺取代Al³⁺则能增大晶格体积并提升致密度。研究通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和电化学阻抗谱(EIS)等表征手段，结合密度泛函理论(DFT)计算，系统解析了掺杂对材料结构及性能的影响机制。

材料结构与元素化学态分析
XRD结果显示所有样品均保持NASICON典型三方晶系结构，Y掺杂引起晶格参数显著膨胀。当x=0.025时，晶胞体积最大且相对密度达96.5%，为锂离子迁移提供了更宽敞的传输通道。X射线光电子能谱(XPS)证实Zn²⁺的引入有效抑制了Ti⁴⁺的还原反应。

电化学性能研究
电化学测试表明，Y掺杂量x=0.025的样品表现出最优性能：室温离子电导率高达2.8 mS/cm，较未掺杂LATP提升近一个数量级；组装的锂对称电池在0.1 mA/cm²电流密度下循环100次后仍保持80.38%容量，界面阻抗增长缓慢。DFT计算揭示Y掺杂可降低锂离子迁移能垒至0.28 eV，而Zn掺杂则通过稳定晶体结构减少界面副反应。

结论与意义
该研究通过多元素协同掺杂策略，首次实现了LATP材料离子电导率突破2 mS/cm大关，同时兼顾界面稳定性。其创新性体现在：1）Zn²⁺/Y³⁺双位点掺杂精准调控晶格结构与电子态；2）阐明了离子电导率提升的"晶格膨胀-能垒降低"机制；3）为开发兼具高导电性和长循环寿命的固态电解质提供了普适性设计思路。这项成果发表于《Journal of Renal Nutrition》，对推动全固态锂电池产业化具有重要指导价值。