2025年12月19日，宁波东方理工大学孙学良院士、李晓娜副教授与有研（广东）新材料研究院梁剑文研究员在Joule期刊上发表了题为“Boosting Ionic Conductivity of Fluoride Electrolytes by Polyanion Coordination Chemistry Enabling 5 V-Class All-Solid-State Batteries”的研究成果。

该研究通过聚阴离子配位策略开发了一类新型的高离子导氟化物固态电解质Li_xTi(PO₄)_x/3F₄。氟化物固有的优异的氧化稳定性和机械性能以及Li_1.3Ti(PO₄)_1.3/3F₄特有的高离子电导率确保了其与5V级高压正极的良好兼容性。

论文的通讯作者是孙学良院士，李晓娜副教授和梁剑文研究员。靳怀敏博士和王兴宇博士为论文第一作者。

全固态电池使用无机固态电解质替代易燃液体电解质，为实现高安全性和高能量密度（例如通过应用高压正极材料）提供了可能。然而，由于目前主流的固态电解质（氯化物、硫化物、氧化物）自身存在氧化稳定性不足或机械性能较差等固有短板，固态电解质与高压正极材料（如5V级尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄（LNMO））之间存在严重的界面不相容问题。相比之下，氟化物固态电解质凭借优异的氧化稳定性与机械性能成为理想选择。但是受限于氟化物固态电解质极低的离子电导率，使其无法实际应用。因此，突破其离子电导率限制已成为亟待解决的关键问题。

在这项工作中，孙学良院士团队采用聚阴离子配位策略，通过简单的一步球磨法成功制备了一类新型的高离子导氟化物固态电解质Li_xTi(PO₄)_x/3F₄。其中，Li1_.3Ti(PO₄)_1.3/3F₄的离子导高达1.16×10^-5 S cm^-1，较类似的Li₂TiF₆高出两个数量级。与此同时，该材料的电子电导率极低，仅为1.49×10^-9 S cm^-1，远低于其离子电导率。此外，该电解质材料还具备出色的电化学稳定性，在3-9 V（vs. Li/Li⁺）电压范围内氧化电流可忽略不计，表明其具有宽电压窗口下的高稳定性。力学性能方面，其杨氏模量仅为19.15 GPa，显著低于典型氧化物电解质（如Li₇La₃Zr₂O₁₂，约150.97 GPa），预示着更好的界面接触与机械相容性。

结合实验和理论计算，作者发现这种高离子电导率主要源于锂离子与F⁻/PO₄³⁻双配位环境之间的弱相互作用以及灵活的网络结构。得益于其卓越的离子电导率，优异的氧化稳定性和机械性能，该电解质能够与5 V级尖晶石高压正极形成低电阻、高稳定的界面，展现出卓越的电化学兼容性。使用LNMO正极 和Li_1.3Ti(PO₄)_1.3/3F₄正极电解质的全固态电池在 0.1 C下的首圈库仑效率高达98.02%。经该电解质包覆的LNMO正极更展现出129.5 mAh g^-1的高可逆容量（0.1 C）及200周循环后91.6%的优异容量保持率（1 C）。

图1：LixTi(PO₄)_x/3F₄的合成及电学性能。

图2：LixTi(PO₄)_x/3F₄的结构表征。

图3：LixTi(PO₄)_x/3F₄的锂离子传输机制。

图4：基于LixTi(PO₄)_x/3F₄的高电压全固态电池的电化学表现。

图5：基于LixTi(PO₄)_x/3F₄的高电压全固态电池中的界面兼容性。

该工作不仅展示了一种高性能电解质材料，更为高离子导氟化物固态电解质开发了新的设计范式，为发展5 V级全固态电池提供了有效策略。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102233