科學(xué)家研發(fā)鋰離子導體，結合機器學(xué)習與結構預測，為下一代固態(tài)電解質(zhì)提供新可能性
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圖 | 韓國鵬（來(lái)源：韓國鵬）研究中，他們利用兩種陰離子硫和碘重現了類(lèi)似于金屬間化合物 NiZr 的結構網(wǎng)絡(luò )，成功合成了一種新型固態(tài)電解質(zhì) Li7Si2S7I（LSSI），構建了一條利用多種鋰離子配位環(huán)境的三維鋰離子快速傳導路徑。不同于其他材料的單一配位環(huán)境，LSSI 具有 15 個(gè)不同的鋰離子位點(diǎn)，其三維鋰離子傳輸路徑利用了多用不同的鋰離子配位環(huán)境，所以它是一種室溫鋰離子電導率能夠罕見(jiàn)地達到傳統液態(tài)電解質(zhì)的固體材料。與此同時(shí)，本次研究結合使用機器學(xué)習，來(lái)識別可能的化學(xué)體系并進(jìn)行排序，通過(guò)實(shí)驗表征、以及計算模擬，課題組分析了傳輸性能并獲得了鋰傳輸的微觀(guān)路徑。總的來(lái)說(shuō)，本次研究提出了一個(gè)全新的材料設計理念，改變了人們對于高性能固態(tài)電解質(zhì)的認識。為鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)這一關(guān)鍵挑戰領(lǐng)域開(kāi)辟了新方向，拓寬了高性能固態(tài)電解質(zhì)的結構化學(xué)空間，有望對新材料的發(fā)現產(chǎn)生重大影響。和其他固態(tài)電解質(zhì)材料相似，未來(lái)課題組還可進(jìn)一步優(yōu)化該材料的各項性能，比如優(yōu)化與正極材料的兼容性等，以期成為下一代固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)秀候選者。更重要的是，他們所構建的材料設計新方法，將會(huì )促進(jìn)發(fā)現更多優(yōu)異性能的新固態(tài)電解質(zhì)材料。據介紹，作為最具潛力的下一代電池的有力競爭者，全固態(tài)電池由于其高的安全性和優(yōu)異性能而受到廣泛關(guān)注和研究。而作為全固態(tài)電池的核心材料，研發(fā)出可供實(shí)際使用的固態(tài)電解質(zhì)成為其中的關(guān)鍵一環(huán)。目前，已經(jīng)研發(fā)出的、可與傳統液態(tài)電解質(zhì)電導率相比擬的固態(tài)電解質(zhì)材料數量有限，且存在各自的主要短板。所以，發(fā)展出更多性能優(yōu)異的固態(tài)電解質(zhì)材料成為當務(wù)之急。在目前性能最優(yōu)異的固態(tài)電解質(zhì)中，離子的快速傳導路徑常常具有單一的配位幾何形狀。因此，要想在固態(tài)材料中獲得可比擬傳統有機液態(tài)電解質(zhì)的離子電導率，固態(tài)材料的結構中就需要存在這樣一條離子傳輸路徑：即沿著(zhù)傳輸路徑的各個(gè)位點(diǎn)配位數的變化要盡可能地小。最理想的情況是存在一條具有單一配位環(huán)境地離子傳輸通道，以最大程度地減小傳輸路徑上的能量壁壘。因此，高性能固態(tài)電解質(zhì)材料的設計重點(diǎn)，被聚焦在能夠提供最小配位變化路徑的結構上，從而將注意力限制在極少數幾種結構類(lèi)型中。而目前的材料限制了優(yōu)異性能的固態(tài)電解質(zhì)材料的結構和化學(xué)空間，例如具有 BCC 陰離子框架的 Li10GeP2S12 和 Li7P3S11、以及具有 argyrodite 結構的 Li6PS5Cl。研究發(fā)現，相比于固態(tài)電解質(zhì)材料，金屬間化合物具有更加豐富的結構多樣性。而其復雜的結構網(wǎng)絡(luò )，產(chǎn)生了配位數和幾何構型不同的間隙位點(diǎn)。并且，很多金屬間化合物具有非常優(yōu)異的氫吸附性能和傳導性能。這說(shuō)明氫可以占據在金屬間化合物結構網(wǎng)絡(luò )的間隙位點(diǎn)中，并可以快速遷移。這一點(diǎn)啟發(fā)了本次團隊在新型固態(tài)鋰離子導體上的設計靈感。設想一下，如果能用兩種或多種不同的陰離子，來(lái)重現同樣由兩種或多種不同金屬元素構成的金屬間化合物的結構網(wǎng)絡(luò )。而鋰離子可以像氫在金屬間化合物的結構網(wǎng)絡(luò )中那樣快速躍遷，從而產(chǎn)生高的鋰離子導電率。那么，必將極大拓展快離子導體的結構設計空間，進(jìn)而發(fā)現更多性能優(yōu)異的新型固態(tài)電解質(zhì)材料，從而為全固態(tài)電池的發(fā)展奠定材料基礎。
（來(lái)源：Science）由于目前的高性能固態(tài)電解質(zhì)被局限在少數幾種結構類(lèi)型中，限制了新優(yōu)秀材料的發(fā)現。而韓國鵬目前所在團隊是一個(gè)研究領(lǐng)域非常多元的大組，匯聚了具有不同學(xué)科背景的專(zhuān)業(yè)人才。在一次項目會(huì )議的討論過(guò)程中，受到組內專(zhuān)注于做金屬間化合物結構和性能相關(guān)工作的啟發(fā)，他們萌生了最初的想法。既然金屬間化合物具有優(yōu)異的氫儲存和傳導性能，并且可以利用不同配位環(huán)境的間隙位點(diǎn)。如果將這類(lèi)結構網(wǎng)絡(luò )以某種方式引入到鋰離子導體的陰離子結構框架中，也許可以發(fā)現新型的性能優(yōu)異的鋰離子導體。而且相比于鋰離子導體，金屬件化合物的結構多樣性十分豐富，如果這一想法能夠實(shí)現，那將大大拓展陽(yáng)離子導體的結構設計空間。那么，接下來(lái)需要回答的問(wèn)題自然是如何才能實(shí)現這一點(diǎn)。他們的想法是，鑒于金屬間化合物有兩種及以上不同的金屬原子參與了結構的形成。如果他們也使用兩種不同的陰離子，也許可以重現出具有類(lèi)似二元金屬間化合物結構網(wǎng)絡(luò )的陰離子框架。然后，再用具有強共價(jià)鍵的元素來(lái)穩定該陰離子框架，其他間隙位點(diǎn)再由鋰離子填充。有了這個(gè)想法之后，他們使用經(jīng)過(guò)訓練的 AI 模型，來(lái)定量地根據新相形成的可能性，針對相應的體系進(jìn)行排序，并通過(guò)結構預測來(lái)縮小具體實(shí)驗探索的目標組分。然后，再根據理論預測的結果，以及通過(guò)大量的實(shí)驗，進(jìn)行相應的結構表征和性能表征。
（來(lái)源：Science）科學(xué)研究是一個(gè)特別考驗耐心和意志力的職業(yè)，因為失敗是常事，而成功則是件稀罕事，常常需要通過(guò)無(wú)數次的失敗探索才能逐漸靠近目標。曾經(jīng)一段時(shí)間，本次項目被卡在了某個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)，大半年時(shí)間都沒(méi)有明顯進(jìn)展。再加上很多人都參與到這個(gè)項目之中，大家都付出了很大心血，并且抱有很高期待。而工作又在韓國鵬這邊卡住了，他感受到了很大的壓力。后來(lái)，他的導師也開(kāi)始著(zhù)急了，將平時(shí)兩三周一次的工作跟進(jìn)會(huì )議增加到了一周一次，這進(jìn)一步增加了韓國鵬的工作量和焦慮感。漸漸的這種焦慮感開(kāi)始從工作上蔓延到了平時(shí)的生活中，讓他第一次體驗到了“至暗時(shí)刻”。韓國鵬是一個(gè)在生活上喜歡“散漫”的人，但是很快他就開(kāi)始調整自己的心態(tài)。工作上的事情一步步按照自己的節奏去做，不能因為壓力大而自亂陣腳。同時(shí)，不能讓工作上的壓力太影響日常生活，于是他反而恢復了暫停了數月之久的每日“電影時(shí)刻”，即重新開(kāi)始在工作之余看電影放松自己。后面經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的奮戰，他順藤摸瓜理清了問(wèn)題的根源并成功地解決了它，從而將自己從這種壓力中解脫出來(lái)，那一刻真是有一種“清風(fēng)拂我面，送我上青云”的感覺(jué)。韓國鵬表示：“后來(lái)，這個(gè)項目?jì)H在論文寫(xiě)作階段的討論會(huì )議就有幾十次之多，在這種交流中學(xué)到了很多，也讓我深刻的感受到了團隊合作的力量和嚴謹認真的學(xué)術(shù)氛圍?！?/span>最終，相關(guān)論文以《通過(guò)雙陰離子堆積定義的多種配位環(huán)境進(jìn)行超離子鋰傳輸》（Superionic lithium transport via multiple coordination environments defined by two-anion packing）為題發(fā)在 Science[1]。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Science）韓國鵬是第一作者，英國利物浦大學(xué)馬修·J·羅塞因斯基（Matthew J. Rosseinsky）教授和約翰·克拉里奇（John B.Claridge）教授擔任共同通訊作者。參考資料：1.Han, G., Vasylenko, A., Daniels, L. M., Collins, C. M., Corti, L., Chen, R., ... & Rosseinsky, M. J. (2024). Superionic lithium transport via multiple coordination environments defined by two-anion packing.Science, 383(6684), 739-745.排版：希幔
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