全固態鋰離子電池有望成為下一代的鋰離子電池，實現更高的安全性和能量密度。全固態鋰離子電池的核心組成部分便是固體無機快離子導體，但目前對于其中的離子輸運原理理解并不完全。近日，美國馬里蘭大學材料系的莫一非教授研究組通過第一性原理計算，闡述了無機快離子導體中的離子輸運原理，提出并證實了一種普適通用的設計快離子導體的全新策略。
基于密度泛函理論的分子動力學模擬，該團隊研究了已知快離子導體中的離子運動，發現多個離子的協同躍遷是已知快離子導體中關鍵的輸運模式，具有極低的躍遷能壘。對各快離子導體的進一步研究表明，多離子協同躍遷中各個離子所處的位置能量不盡相同。各離子協同運動時，離子能量互相抵消，便能表現出極低的能壘。基于這一理論模型，新的材料設計策略得以提出，通過摻雜激發協同躍遷，該材料的設計策略在一些新的材料中得到了證實，數種全新的快離子導體通過第一性原理計算設計預測得出。
這一成果近期發表在Nature Communications 上。美國工程院院士、加州大學伯克利分校材料系的教授Gerbrand Ceder 對該工作給予了高度評價： “Solid-state batteries are a promising new direction to provide energy storage with high energy density and good safety. This work provides another important step forward in understanding the origin of the very high Li conductivity in some solids, as it highlights the importance of high Li content in the material leading to more concerted motion.”
斯坦福大學材料系的教授崔屹表示：“Understanding the fundamental mechanism on how ions move fast in solid state will have profound impact to batteries, fuel cells and other electrochemical technologies. The work by Yifei Mo offers a new and important insight on fast ion transport and provides new materials principles for finding the new solid electrolyte.”
馬里蘭大學的莫一非教授課題組在固態離子導體和固態電池研究方面取得了一系列的突破和成果，相關內容發表在Nature Materials、Advanced Materials、 Journal of the American Chemical Society、Advanced Energy Materials、Advanced Science 等期刊上，主要致力于材料設計、界面穩定性和退化機理的研究以實現高效的全固態電池。
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