Nature Communications：“无机聚合”卤化物非晶电解质

近日，由宁波东方理工大学、上海交通大学等单位组成的联合科研团队，在全固态锂电池固态电解质领域取得重要突破。团队提出阴离子簇交联化学设计策略，成功开发出聚阴离子稳定的低锂含量非晶卤化物电解质，解决了传统卤化物固态电解质高锂依赖、成本高昂、空气敏感性强的行业痛点。相关研究成果发表于国际顶级期刊《自然-通讯》（Nature Communications），为高能量密度全固态锂电池的规模化、低成本发展提供了全新材料与技术方案。

全固态锂电池凭借高安全性、高能量密度和长循环寿命，被视为下一代新能源储能与动力电池的核心发展方向，而高性能固态电解质是其商业化落地的关键核心材料。在氧化物、硫化物、卤化物三类主流固态电解质中，卤化物电解质因高室温离子电导率、宽电化学窗口和良好的正极兼容性成为研究热点，但传统卤化物电解质需满足4.3wt%以上的高锂含量才能实现目标离子电导率。这一特性不仅因锂资源全球储量有限、价格大幅波动推高材料成本，还因锂离子与水分子的强静电相互作用导致电解质易水解，大幅降低空气稳定性，给规模化生产和存储带来严苛的环境要求，成为制约卤化物电解质实用化的瓶颈。

该研究团队创新性地利用阴离子簇协同作用，通过简单的机械球磨法合成了xLi2SO4-ZrCl4系列非晶卤化物电解质，并筛选出最优组分0.5Li2SO4-ZrCl4。该电解质实现了低锂含量与高离子电导率的双重突破：锂含量仅为2.4 wt%，远低于传统高导电卤化物电解质（5~6 wt%）和硫化物电解质（通常>7wt%），却在30 ℃下实现了1.5mS cm-1的高室温离子电导率，与 Li3ScCl6、Li3InCl6等主流卤化物电解质相当。在空气稳定性上，该电解质表现尤为突出，在30%相对湿度的严苛条件下，离子电导率衰减、吸潮速率远低于传统卤化物电解质，大幅降低了产业化的环境要求。同时，该电解质采用低成本 Li2SO4为前驱体，即使使用低纯度原料仍能保持稳定电导率，进一步夯实了成本优势。

值得一提的是，该团队在研究中构建了无参数、多尺度的非晶结构计算建模工作流，展现了显著的方法学创新。该工作流首先通过从头算分子动力学模拟捕获前驱体簇单元的化学反应过程，继而利用机器学习力场（MLFF）加速的分子动力学模拟实现簇单元的空间排布与结构弛豫，最终构建出完全无序的非晶结构。在“实验-计算”的交叉验证下，解析出的非晶结构与中子散射PDF、同步辐射PDF、室温离子电导率及活化能的实验数据高度吻合，首次实现了非晶卤化物电解质原子级结构的解析。这一成果不仅为研究的机理分析奠定了坚实基础，更因其普适性，为各类非晶电解质的结构与性能研究提供了可靠的计算流程。

该研究的核心创新在于首次将阴离子簇化学引入卤化物固态电解质设计，突破了传统卤化物电解质“高锂含量才能高导电”的固有认知，为开发低成本、高稳定性的固态电解质提供了全新范式。研究成果不仅大幅降低了卤化物电解质对锂资源的依赖，还提升了其空气稳定性和规模化生产的可行性，同时将材料科学基础研究与储能器件实用化创新紧密结合，为高能量密度全固态锂电池的商业化发展提供了关键的材料与技术支撑。

宁波东方理工大学-上海交通大学联培博士生唐稳、宁波东方理工大学博士后王飞龙、宁波东方理工大学-上海交通大学联培博士生梁帅卡为共同第一作者，宁波东方理工大学夏威、孙学良、汪硕和上海交通大学马紫峰为通讯作者，研究工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、宁波市自然科学基金、中国博士后面上等项目的资助，同时获得了中国散裂中子源、上海同步辐射光源、日本SPring-8同步辐射等大科学装置的测试支持。

夏威，宁波东方理工大学助理教授、副研究员、博士生导师（独立PI），上海交通大学兼职博导。2016年获北京大学力学（先进材料与力学）博士学位，曾在加拿大西安大略大学、南方科技大学担任博士后和副研究员。主要从事全固态电池和中子散射表征前沿交叉研究，开发了“反萤石型”电解质、“无机聚合”非晶卤化物等新型无机固态电解质，参与中子大科学装置建设。已在Science、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Chem. Rev.等国际著名学术期刊发表论文70余篇，总被引9900余次。主持国自然面上/青年基金、工信部专项子课题等，参与国自然合作创新研究团队、区域联合基金等项目。曾就职世界五百强企业电池研发部门，具有电池研发和工程化经验。入选斯坦福大学和爱思唯尔联合发布的“全球前2%顶尖科学家榜单”。

课题组依托宁波东方理工大学物质与能源研究院，围绕国家能源战略技术需求，开展新型高比能全固态电池基础研究。研究院由孙学良院士担任院长，现拥有临时实验场地1000平方米，永久实验场地4000平方米。具备先进的材料合成、电池制造、电化学分析及表征设备（SEM、XRD、Raman，FT-IR等）。此外，学校具有电镜中心、高性能计算平台等公共研究设施，为开展科学研究提供了坚实的硬件保障。

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