具有柔軟陰離子晶格的高導電性抗鈣鈦礦

一種新的原子結構排列顯示出開發固體材料制成的更安全電池的希望。京都大學綜合細胞材料科學研究所(iCeMS)的科學家設計了一種新型的“抗鈣鈦礦”，可以幫助人們替換目前鋰離子電池中使用的易燃有機電解質。他們的發現發表在《自然通訊》雜志上。

鈣鈦礦化合物具有優異的導電能力以及其他特性，因此正在接受各種技術的測試和使用。它們可以由具有式ABX 3的原子的大組合制成，其中A和B是帶正電的原子，X是帶負電的原子。

最近，科學家一直在研究稱為抗鈣鈦礦的化合物。它們顛倒了配方，將兩種類型的帶負電的“陰離子”和一種類型的帶正電的“陽離子”結合在一起。它們還具有許多吸引人的特性，包括超導性，并且與大多數材料相比，加熱時收縮。

富含鋰和鈉的抗鈣鈦礦，例如Li 3 OCl和Na 3 OCl，由于它們具有高的離子電導率和堿金屬濃度而備受關注，這使其有望替代鋰離子電池中使用的液體電解質。這項研究的負責人iCeMS固態化學家Hiroshi Kageyama解釋說：“但是，要在固體材料中獲得可比的鋰離子電導率是一項挑戰。”

影山和他的團隊合成了一個新的富含鋰和鈉的抗鈣鈦礦家族，開始克服這個問題。它們的抗鈣鈦礦代替“硬”的氧和鹵素陰離子，而包含氫陰離子(稱為氫化物)和“軟”硫屬元素陰離子(如硫)。

科學家們對這些抗鈣鈦礦進行了廣泛的理論和實驗研究，發現軟陰離子晶格為鋰和鈉離子提供了理想的傳導路徑，可以通過化學取代進一步增強這種傳導路徑。

這種新的抗鈣鈦礦家族的優勢似乎部分歸因于氫化物改變其尺寸和擴大其組成空間的能力。這有助于穩定化合物的結構。此外，其異常的振動模式有助于離子導電性。

影山說：“通過進一步的化學替代實驗，仍有很大的改進空間。” “這最終可能導致用于高性能電動汽車的全固態金屬離子電池中產生固態電解質。”