深圳新聞網(wǎng)2026年1月23日訊（記者 王茜）近日，深圳北理莫斯科大學材料科學系李樹奎教授和卞均操副研究員在全固態(tài)電池關鍵材料研究中取得重要突破，他們成功制備出一種新型硫代硼酸鋰LiBS?固態(tài)電解質(zhì)，并揭示了“Li-S”動態(tài)配位耦合增強鋰離子傳輸新機制。相關成果以“Dynamic Li-S Coordination Boosted Superionic Conduction in Cubic LiBS? Solid Electrolyte”為題發(fā)表于國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》。

深圳北理莫斯科大學為第一完成單位，李樹奎教授、卞均操副研究員、南方科技大學王李平教授、汕頭大學鄧貝副教授、中國科學院固體物理研究所王培副研究員為本文共同通訊作者。

固態(tài)鋰金屬電池因具備更高的理論能量密度和本征安全性，被廣泛認為是最有潛力的下一代電池技術的重要方向。在眾多固態(tài)電解質(zhì)體系中，硫代硼酸鋰體系因其極高的理論鋰離子電導率而備受關注。然而，目前該體系的實驗研究仍明顯滯后，實際測得的離子電導率與理論預測值之間存在顯著差距。同時，如何在固體電解質(zhì)中突破傳統(tǒng)“空位擴散模型”框架，發(fā)掘新的離子傳導機制，仍是全固態(tài)電池領域的核心科學問題之一。本研究團隊利用國產(chǎn)六面頂大腔體壓機，通過調(diào)控合成壓力、溫度等熱力學參數(shù)，在國際上率先成功制備出了具有超高鋰離子導率的立方相LiBS?固態(tài)電解質(zhì)。

圖1

XRD和精修數(shù)據(jù)顯示，通過調(diào)節(jié)反應溫度，成功獲得了立方相（1100 °C）和四方相（1150 °C）LiBS?固態(tài)電解質(zhì)。其中，立方相LiBS?屬于F43c空間群，其晶體結(jié)構由平面Li-S?配位單位和極化的四面體Li-S?配位單元共同構成，并嵌套在一個高度穩(wěn)定的B-S剛性骨架之中。這一結(jié)構特征為鋰離子的快速遷移提供了全新的結(jié)構模型（圖1）。四方相LiBS?屬于I42d空間群，其結(jié)構由Li-S?和B-S?四面體組成。這種結(jié)構上的差異導致立方相和四方相LiBS?固態(tài)電解質(zhì)的室溫離子電導率分別為0.43 mS cm?1和9.7×10?3 mS cm?1。

作者采用第一性原理計算中的爬坡圖像彈性帶方法以及從頭算法分子動力學模擬，深入解析了立方相LiBS?中鋰離子的傳輸機制。模擬結(jié)果表明，在所有可能的遷移路徑中，鋰離子沿24d→24d點位之間路徑遷移具有最低能壘，僅0.35 eV，是立方相LiBS?中主導的擴散通道。更為重要的是，鋰離子的遷移并非發(fā)生在靜態(tài)晶格中，而是在空間和時間上均伴隨著局域的“Li-S”動態(tài)配位過程。在遷移起始階段，鋰離子離開平面Li-S?配位中心，遷移過程中，原有Li-S鍵發(fā)生斷裂，同時新的Li-S鍵同步生成，這種“配位-脫配位-再配位”的動態(tài)過程，使鋰離子在過渡態(tài)中仍能保持不低于4的高配位數(shù)，甚至短暫形成五配位結(jié)構，從而顯著降低遷移過渡態(tài)能量。此外，遷移路徑周圍的鋰離子并非靜止不動，而是發(fā)生集體扭曲與旋轉(zhuǎn)，以類似“旋轉(zhuǎn)漿輪效應”的協(xié)同方式推動鋰離子完成遷移（圖2f）。這一機制與經(jīng)典的“空位擴散模型”存在本質(zhì)區(qū)別，是立方相LiBS?實現(xiàn)超離子傳導的關鍵物理根源（圖2）。

圖2

該工作通過高壓合成策略成功構筑了一種新型硫代硼酸鋰固態(tài)電解質(zhì)，并揭示了“Li-S動態(tài)配位”驅(qū)動的鋰離子超離子傳導機制。研究結(jié)果不僅為縮小硫代硼酸鋰體系“理論-實驗”性能差距提供了新思路，也為未來新型固體電解質(zhì)設計提供了重要理論指導。

該研究還得到了深北莫-華一動力電池檢測聯(lián)合實驗室、深圳市龍崗區(qū)動力電池材料與器件重點實驗室以及廣東省綠色儲能材料重點實驗室等項目的支持。

（本文圖片由學校提供）