日本研究团队揭示氟化物固体电解质离子传导机制

日本研究团队揭示氟化物固体电解质离子传导机制

在新一代电池技术的研发竞争中，全固态氟化物电池因其高能量密度和安全性而备受关注。近日，日本高能加速器研究机构（KEK）等机构的研究团队在《ACS Applied Energy Materials》期刊上发表最新研究成果，首次在原子水平上揭示了Ca0.48Ba0.52F2固体电解质的离子传导机制，为开发高性能氟化物电池材料提供了重要理论依据。

研究背景

具有萤石型结构的氟化钙（CaF2）和氟化钡（BaF2）在全固态氟化物电池中具有重要应用前景，尤其是在高电压条件下。然而，这两种材料的离子电导率较低。研究发现，通过在原子水平上混合CaF2和BaF2，可以显著提高离子电导率，但其具体传导机制尚不清楚。

研究方法与发现

研究团队采用热等离子体法制备了Ca0.48Ba0.52F2固体电解质，并利用中子衍射实验精确测量了其原子位置和核密度分布。实验结果表明，不同离子半径的Ca和Ba混合会诱发结构应变，导致F原子排列局部混乱。这一发现具有重要意义：

图1 Ca0.48Ba0.52F2固体电解质中氟化物离子高速流动的示意图

研究团队成功实现了氟化物离子传导路径的可视化，并发现F原子排列的局部混乱对传导路径内的离子流动（离子传导率）有显著促进作用。这一发现不仅加深了对氟化物离子导体离子流动机制的理解，也为新一代电池材料的开发提供了重要参考。

研究意义

该研究成果于2024年9月5日（美国时间）发表在美国化学会（ACS）发行的能源材料科学专业杂志《ACS Applied Energy Materials》的在线版上。KEK物质结构科学研究所的森一广教授表示，中子衍射技术在观察轻元素方面具有独特优势，对于加速电池研究开发具有重要意义。京都大学成长战略总部的佐藤和之特定研究员则指出，这一发现将有助于进一步优化固体电解质材料，推动氟化物电池技术的发展。

这一突破性研究不仅展示了日本在新能源材料领域的科研实力，也为全球新能源电池技术的发展注入了新的活力。