Nature子刊：通过孤立阴离子结构特征发现新的快离子导体

固态锂离子电池的关键材料之一是快速离子导体，然而无机晶体中晶体结构与离子电导及输运机制之间的内在关系仍不明确，使得寻找和设计具有低迁移势垒的离子导体成为一项极具挑战性的课题。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心E01课题组通过理论分析与实验验证，系统阐明了孤立阴离子在快离子导体中的核心作用，提出了基于结构特征的设计新范式，并为新型固态电解质的开发提供了理论指导和高通量筛选框架。该研究成果以“New Fast Ion Conductors Discovered through the Structural Characteristic Involving Isolated Anions”为题发表在npj Computational Materials [npj Comput Mater 11, 67 (2025)]上，中国科学院物理研究所博士研究生杨其凡为第一作者，中国科学院物理研究所肖睿娟副研究员、李泓研究员为通讯作者。

该项研究成果创新之处在于：

1.提出孤立阴离子作为新型结构特征。论文首次提出孤立阴离子（不与固定阳离子键合，仅与锂离子弱相互作用）可作为设计高离子导体的关键结构特征。通过孤立阴离子的局域环境（如对称性、间距、排列和元素类型），可调控锂离子迁移的能势景观，形成低能垒的笼状传输通道。

2.揭示孤立阴离子诱导的“挫折现象”
发现孤立阴离子通过形成球形平滑能势表面，引发晶体结构中的“挫折现象”（frustration phenomenon）。这种机制导致锂离子在多个等效低能位点间快速迁移，显著降低迁移能垒，从而提升离子电导率。

3.结构参数对离子传输的定量影响。局域对称性：孤立阴离子周围的高点群对称性（如Td对称性）促进笼状通道的形成，增强笼内传输效率。排列间距：孤立阴离子间距小于临界值（如5.22 Å）时，笼状通道可通过共享面连接，实现笼间高效传输。元素类型：不同孤立阴离子（如Se²⁻、Cl⁻）与锂离子的静电相互作用差异（通过Ewald能量量化）影响笼状通道的分布与连通性。

4.高通量筛选发现新型离子导体。结合晶体结构数据库（ICSD、Materials Project）和第一性原理分子动力学（AIMD）模拟，筛选出四类含孤立阴离子（N³⁻、Cl⁻、I⁻、S²⁻）的新型快离子导体（如Li₇N₅I、Li₅CrCl₆），验证了设计方法的普适性。

图：a. 具有孤立阴离子的Li₆PS₅Cl结构及其笼状传输路径；b. 孤立阴离子的局域结构点群对称性对离子传输能力的影响；c. 孤立阴离子之间的距离和元素类型对离子传输能力的影响；d. 以孤立阴离子为特征进行高通量筛选得到的四类离子导体，每类选取一个代表性的化合物。

论文地址：https://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202504/t20250407_7589506.html

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