东北大学伊廷锋教授团队和清华大学深研院贺艳兵教授团队ESM观点：硫化物固态电解质离子电导率调控策略研究

第一作者：刘欣宇

通讯作者：王鹏飞*，贺艳兵*，伊廷锋*

单位：东北大学/秦皇岛分校，清华大学深圳国际研究生院

相较于传统的有机液体电解质，固体电解质（SEs）在安全性、力学稳定性及加工灵活性方面展现出显著优势。硫化物SEs作为极具潜力的SEs类型，在众多领域应用广泛。尽管部分硫化物SEs如Li₁₀GeP₂S₁₂已展现出极高的离子电导率，但这一特性往往掩盖了对其电导率进一步优化的必要性，而这一领域的研究对于硫化物SE的全面发展仍至关重要。本文深入概括了硫化物SEs离子电导率的调控策略，重点阐述了近期研究进展，旨在实现并提升硫化物SEs的离子电导率。最后，本文不仅指明了提升硫化物SEs离子电导率的研究新方向，还展望了硫化物基全固态锂电池技术的未来发展趋势，为该领域的持续创新与技术突破提供了参考。

近日，来自东北大学秦皇岛分校的伊廷锋教授团队和清华大学深研院贺艳兵教授团队合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Ionic conductivity regulating strategies of sulfide solid-state electrolytes”的观点文章。该文章聚焦于硫化物SEs的离子电导率改进研究。总结了离子掺杂、锂含量调控及工艺优化等策略，旨在提升硫化物SEs性能。并展望了硫化物基全固态锂电池的研究方向和未来。

为了应对提升离子电导率这一挑战，作为优化策略之一的离子掺杂举措核心是将金属离子、非金属离子或其相应的组合巧妙地掺入硫化物晶体SEs中，旨在优化其晶体结构及整体性能。这些掺杂离子与基体离子在原子半径及价态上存在显著差异，这些特性不仅精妙地重构了锂离子迁移路径的架构，直接加速了离子传导效率，同时也微妙地触发了Li-argyrodite电解质和thio-LISICON电解质的结构无序性，成为调控离子迁移效率的又一重要杠杆。

锂含量对硫化物SEs离子电导率的提升起着复杂而关键的作用。硫化物玻璃SEs的离子电导率受锂离子浓度的直接影响；硫化物玻璃-陶瓷SEs通过改变电解质内的相组成间接影响离子电导率；在硫化物SEs结晶的情况下，离子浓度直接影响SEs晶格结构，从而影响锂离子的输运性质。

三种常见的制备策略在提升离子电导率方面各具特色。（1）熔体淬火法，以其独特的工艺能制备出均匀透明的硫化物，热处理后更是能蜕变为超离子导体，从而大幅度增强离子电导率。然而，此法工艺繁琐且能耗不菲，是其显著挑战。通过控制改变熔融温度以及淬火速率有望获得最佳的电解质结构和离子电导率；（2）机械方法，它能高效生成具备较高离子电导率的硫化物，但机械应力成为影响其性能稳定的一大因素。通过精细调控球磨参数及后续处理工艺，有望进一步激发其导电潜能；（3）液相法，以温和可控的制备环境著称，尽管初期制得的硫化物电导率稍逊，但通过精心优化溶剂体系与反应条件，其电导性能存在显著提升的空间。

硫化物SEs的离子传输特性与其复杂的内部结构密切相关，其中不同化学成分的精细排列直接决定了离子迁移的路径和效率。为了更深入地了解这一机制，综合利用密度泛函理论（DFT）和中子粉末衍射等前沿技术，结合理论计算，全面探索锂离子在硫化物SEs中的迁移行为。这些前沿研究不仅可以大大加深对离子微观运动规律的认识，也为硫化物SE材料的精确设计提供了坚实的理论基础和指导方向。通过模拟和实验数据的紧密结合，能够有效筛选出具有高效离子通道结构的硫化物SEs候选物，然后精细调节离子迁移路径。在未来还需对硫化物SEs离子电导率的优化进行更加深入的研究。随着新材料、新技术和新工艺的出现，硫化物SEs的局限性将被克服，更高的离子电导率和更好的综合性能的硫化物SEs将被实现。

硫化物SE离子电导率的不断优化将为硫化物SE基锂电池带来双重优势：一方面，其高能量密度将成为众多应用的吸引力；另一方面，其优良的安全性能为其广泛的应用提供了坚实的保障，进而共同勾勒出一幅非常诱人的应用前景图。

“Ionic conductivity regulating strategies of sulfide solid-state electrolytes”

伊廷锋教授简介：主持或主持完成国家自然科学基金项目5项(50902001、51274002、51774002、U1960107、52374301)、省部级项目5项、企业产学研项目及其它项目12项，先后入选安徽省教坛新秀(2013)、安徽省技术领军人才(2015)、江苏省双创人才(2019)、河北省333人才工程第二层次人选(2019)、河北省普通本科院校教学名师(2021)、河北省师德标兵(2023)、2019年度科睿唯安(Clarivate Analytics)材料科学(Materials Science)领域和交叉领域(Cross-Field)“Top 1%审稿人” 、全球Top 2% Scientists榜单、全球顶尖前10万科学家排名、获第十四届河北省青年科技奖(2019)。担任《物理化学学报》编委，《Chinese Chemical Letters》《Rare Metals》《稀有金属》等期刊青年编委。近年来，在Advanced Functional Material、Applied Catalysis B: Environmental、Nano Energy、Science Bulletin、Nano Today、Energy Storage Materials等国际期刊上发表第一/通讯作者SCI收录论文200余篇，被引用9000余次，H因子48，23篇论文入选ESI高引论文，6篇论文入选ESI热点论文，授权排名第一发明专利14项。出版著作4部，其中作为主编编著的《锂离子电池电极材料》一书入选“十三五”国家重点出版物出版规划项目，获2020年度化学工业出版社优秀图书奖。

贺艳兵教授简介：清华大学，长聘教授，博士生导师，国家杰青。2009年博士毕业于天津大学电化学专业，2010-2012年清华大学深圳国际研究生院博士后，2012-2013香港科技大学博士后，2013年5月清华大学深圳国际研究生院副研究员。2013孔雀计划B类，2016年6月清华大学材料科学与工程一级学科博士生导师。迄今共发表SCI论文230余篇，SCI他引20000余次，30余篇入选ESI高被引论文，H因子78；近五年在Nature Nanotech.、Nature Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等SCI期刊发表论文100余篇；获授权发明专利60余项，PCT专利2项，转移转化6项；获国家技术发明二等奖（排名第五，2017）、广东省自然科学一等奖（排名第二，2019）、第十届侯德榜化工科学技术青年奖（2018）、广东省科学技术二等奖（排名第一，2015）和深圳市自然科学二等奖（排名第一，2016），入选教育部国家级青年学者（2018）、英国皇家化学会会士（2022），2021-2023年度“科睿唯安”全球高被引学者、广东省特支计划科技创新青年拔尖人才（2015）。

主持国家杰出青年科学基金项目（2023）、深圳市杰出青年基础项目（2020）、国家自然科学基金联合重点项目、面上项目和国家重点研发计划课题等。贺艳兵教授主要从事高安全性电池及关键材料研究，聚焦于固态电池材料和器件研究：（1）提出并阐明了固态电池原位界面反应固态化机制，构建了离子导电复合界面，实现了固-固原子级界面耦合和跨界面兼容；（2）发明了介电陶瓷材料耦合新方法，揭示了锂盐解离和离子跨物相自发迁移机制，研制出高离子电导率复合固态电解质；（3）提出了正极材料高稳定界面层的低氧化电位构建策略，创制了弹性固-聚-固离子高效跨间隙传递网络，大幅提升了全固态电池的室温长循环性能；（4）在国际上率先阐明了钛酸锂电池的界面催化反应胀气机理，获得被行业广泛认可的界面隔绝层解决方案，研制出高密度高稳定且快速充放电性能优异的长寿命钛酸锂材料，研究成果成为产业界和学术界解决钛酸锂电池产气问题和发展高密度、高稳定钛酸锂材料的重要理论依据；籍上述成果提出了可量化的离子输运通量概念，为固态电池研究提供了重要判据。

王鹏飞副教授简介：2021年12月博士毕业于南京大学材料科学与工程专业；2022年1月进入东北大学秦皇岛分校工作。主要研究方向包括锂-硫电池，固态电解质，光热电池，锂金属负极，锂/钠离子电池。主持国家自然科学基金项目1项(22309027)、中央高校基本科研业务费1项(N2323014)、省部级项目2项(QN2022196，E2022501014)、石家庄市基础研究计划项目1项(241790907A)、校级科研启动费项目1项。聚焦于高比能二次电池体系和器件研究：(1). 通过新手段新方法对现有材料进行改性，获得了性能优异的高容量硫正极材料、高离子电导率电解质；(2). 探索发掘基于固态电池的新型电极材料（普鲁士蓝）及新型电解质盐（高供体数盐）,推进其实用化；(3). 首次提出了基于载流子非辐射复合光热转换的聚合物固态电池技术，使电池在室温光照下稳定工作。(4). 提高固态电池的电化学性能，降低生产成本。目前，已发表SCI论文90余篇。其中第一作者或通讯作者身份SCI论文31篇，包括Science Bulletin (1), Advanced Functional Materials (1), Coordination Chemistry Reviews (1), Nano Energy (1), Energy Storage Materials (2), Composites Part B: Engineering (2), Small (2), ACS Applied Materials & Interfaces (3)等国际著名期刊。个人H-index=22。

授权发明专利4项。应邀参加第十一届国际电动车新型锂电池会议、第二十次全国电化学大会（优秀墙报奖）、第五届电化学储能与电池研讨会、第34届全国化学与物理电源学术年会（邀请报告）、2023第三届新能源电池及关键核心材料前沿技术与智能制造高峰论坛（邀请报告）、2023年eScience高峰论坛（邀请报告）、2023渤海科创发展大会（邀请报告）、2023河北省电介质与电解质功能材料重点实验室学术年会（邀请报告）、2024第十五届中国有色金属学会青年科技论坛（邀请报告）等国内外学术会议。

目前，课题组成员包含教授1名、副教授2名、讲师2名；博士生4名、硕士生25名。主要研究方向包括碱金属离子电池、水系电池、固态电池、电催化及其第一性原理计算、液流电池、锂硫电池、锌空气电池、生物质材料等电化学能量存储与转化研究热点。

课题组常年招聘研究生，欢迎有化学、化工、材料学及物理学背景的同学攻读博士研究生、硕士研究生。联系方式：tfyihit@163.com。