中科大&浙工大最新Nature：基于LaCl3的锂超离子导体可与锂金属兼容

一、【导读】

全固态锂金属电池（ASSLMBs）的使用可以解决传统锂离子电池的安全和能量密度问题。作为ASSLMBs的重要组成部分，尽管固态电解质（SEs）直接影响电池性能，但没有单个SE具有ASSLMBs所需的所有性质，包括高离子导电性、用于亲密固体-固体接触的软晶格和宽电化学窗口。缺乏这些属性导致先前报道的无机SEs存在电极兼容性问题，限制它们在ASSLMBs中的实际使用。因此，具备ASSLMBs电极兼容性所需特性的锂超离子导体备受期待。也就是说，无机超离子导体具有高离子导电性和优异的热稳定性，但其与锂金属电极的界面相容性差，阻碍了在全固态锂金属电池中的应用。

二、【成果掠影】

中科大姚宏斌教授，李震宇教授联合浙江工业大学陶新永教授报道了一种基于LaCl₃的锂超离子导体，与锂金属电极具有良好的界面兼容性。相对于Li₃MCl₆（M = Y，In，Sc和Ho）电解质晶格，UCl₃型LaCl₃晶格具有大型一维通道，可实现快速的Li⁺传导，并通过Ta掺杂相互连接La空位，形成三维Li⁺迁移网络。经过优化的Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃电解质，在30℃时具有3.02 mS cm^-1的Li⁺导电率和0.197 eV的低激活能。它还生成了梯度界面钝化层，用于稳定Li金属电极进行长期循环。当直接与未涂层的LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极和裸露的Li金属负极相耦合时，Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃电解质能够使固态电池以4.35 V的截止电压和1 mAh cm^-2以上的面积容量运行100多个周期。此外还展示了镧系金属氯化物（LnCl3；Ln = La、Ce、Nd、Sm和Gd）中的快速Li⁺传导，这表明LnCl₃固态电解质系统可以提供进一步的传导性和实用性发展。相关成果以“A LaCl₃-based lithium superionic conductor compatible with lithium metal”发表在Nature上。

三、【核心创新点】

这项研究报道了一种基于LaCl₃的锂超离子导体，具有与锂金属电极良好的界面兼容性，可用于实现安全且高能量密度的全固态锂金属电池。

四、【数据概览】

图1:基于LaCl₃晶格的Li⁺超离子导体结构模型及其Li⁺迁移机理。 @2023 Springer Nature

图2:Li_xTa_yLa_zCl₃中Li⁺的电导率和Li⁺化学环境的识别。 @2023 Springer Nature

图3:Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃SE对Li金属电极的界面稳定性。 @2023 Springer Nature

图图4:Li/Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃/NCM523 ASSLMB的电化学性能。@2023 Springer Nature

五、【成果启示】

总言之，本研究报道了一种基于LaCl₃的锂超离子导体，具有独特的UCl3型结构。经过优化的Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃固态电解质具有高离子导电性和优异的电极兼容性，在可实现1.16 mAh cm^-2面积容量下，使得Li/Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃/NCM523全电池稳定循环。此研究不仅展示了基于LaCl₃的固态电解质的电极兼容性，还启发了基于LnCl₃晶格的全新UCl₃型固态电解质体系（Ln = La、Ce、Nd、Sm和Gd），可提供多种元素掺杂选择。

原文详情： Yin, YC., Yang, JT., Luo, JD. et al. A LaCl₃-based lithium superionic conductor compatible with lithium metal.Nature616, 77–83 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05899-8