隨著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為了滿足電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)續(xù)航里程的需求，人們對(duì)鋰離子電池的能量密度的要求也在不斷提高，傳統(tǒng)的鋰離子電池能量密度的提升受到正負(fù)極材料限制，短期內(nèi)很難有大的突破。于是人們紛紛把目光轉(zhuǎn)移到了能量密度更高的新體系，例如Li-S電池（650Wh/kg）和Li-O2（950Wh/kg）電池，包括利用金屬鋰取代傳統(tǒng)石墨類(lèi)材料，以便將鋰離子電池的能量密度提升到440Wh/kg。金屬鋰負(fù)極的使用固然能夠顯著的提升電池的能量密度，但是金屬鋰負(fù)極所帶來(lái)的問(wèn)題也不容忽視，首當(dāng)其沖的就是安全性問(wèn)題。金屬鋰負(fù)極在使用的過(guò)程中由于局部極化的原因，會(huì)在金屬鋰負(fù)極的表面產(chǎn)生鋰枝晶，鋰枝晶生長(zhǎng)到一定的程度，可能會(huì)刺穿隔膜導(dǎo)致電池發(fā)生短路，引起安全性問(wèn)題。

目前人們已經(jīng)提出多種方法來(lái)解決鋰枝晶的問(wèn)題，例如人造SEI膜，LiNO3電解液添加劑，金屬鋰表面形貌改造，以及固體電解質(zhì)等措施，目前在Li-S等采用金屬鋰負(fù)極的電池中，改善金屬鋰安全性措施的主要辦法還是采用固態(tài)電解質(zhì)，例如硫化物和金屬氧化物陶瓷等材料。利用固體電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度，抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，可以有效的提高電池的安全性能和循環(huán)性能。目前固態(tài)電解質(zhì)還存在很多問(wèn)題，其中主要是低溫和常溫電導(dǎo)率較低，這也使得采用固態(tài)電解質(zhì)電池的倍率性能和低溫性能普遍不理想。

超離子導(dǎo)體材料為克服這一問(wèn)題帶來(lái)了曙光，超離子導(dǎo)體是一類(lèi)具有超高離子電導(dǎo)率材料的統(tǒng)稱(chēng)，例如Li10GeP2S12(LGPS),Li7P3S11和Li7La3Zr2O12等，它們?cè)谑覝叵碌匿囯x子電導(dǎo)率可達(dá)到1-10mS／cm，幾乎可以與液態(tài)電解質(zhì)相媲美。雖然我們?cè)谶@類(lèi)超離子導(dǎo)體材料上做了很多的研究工作，但是我們對(duì)其工作機(jī)理還缺少認(rèn)識(shí)，也對(duì)如何設(shè)計(jì)這類(lèi)材料缺乏理解。一般我們認(rèn)為離子在超離子導(dǎo)體中的擴(kuò)散遵循經(jīng)典擴(kuò)散模型，既一個(gè)離子從一個(gè)晶格點(diǎn)跳躍至另一個(gè)晶格點(diǎn)，由于在晶體中缺乏連續(xù)的能帶，因此離子擴(kuò)散需要克服較高的能量壁壘。經(jīng)典擴(kuò)散理論無(wú)法解釋具有相同的晶格結(jié)構(gòu)的材料卻產(chǎn)生了完全不同的離子電導(dǎo)率。

來(lái)自美國(guó)馬里蘭大學(xué)的XingfengHe等提出了一種新的超離子導(dǎo)體中離子擴(kuò)散理論，XingfengHe認(rèn)為在超離子導(dǎo)體中，離子擴(kuò)散是在多離子協(xié)同作用下實(shí)現(xiàn)的，離子在擴(kuò)散中僅需要克服很小的能量壁壘，該方法為我們提供了一個(gè)普適的方法和結(jié)構(gòu)去設(shè)計(jì)超離子導(dǎo)體。經(jīng)典擴(kuò)散模型（上圖）和XingfengHe提出的擴(kuò)散模型（下圖）如下圖所示。

XingfengHe利用abinitiomoleculardynamics(AIMD)（第一性分子動(dòng)力學(xué)）仿真對(duì)超離子導(dǎo)體的擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行了研究。下圖中a-c為三種超離子導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，圖d-f為在AIMD仿真過(guò)程中Li+空間占位的概率密度，g-i為L(zhǎng)i+動(dòng)力學(xué)的VanHove相關(guān)性函數(shù)。AMID仿真結(jié)果顯示該材料具有良好的離子電導(dǎo)率和低活化能，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相一致的。通過(guò)分析在AMID過(guò)程中Li+的動(dòng)力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)Li+在遷移過(guò)程中存在很強(qiáng)的協(xié)同作用，即在數(shù)皮秒內(nèi)，多個(gè)Li+同時(shí)擴(kuò)散到了它們最近的晶格點(diǎn)位之中。

下圖是對(duì)對(duì)幾種晶體的Li+擴(kuò)散能量壁壘（圖a-c）和晶體中的能帶間隙（圖d-f）的計(jì)算結(jié)果，從d-f可以看到這幾種晶體的能帶間隙都比較大，根據(jù)經(jīng)典擴(kuò)散模型，這會(huì)使得單個(gè)Li+在其中擴(kuò)散所需要的活化能很高，但是在多離子協(xié)同擴(kuò)散模型下（圖a-c），Li+擴(kuò)散所需要的能量壁壘要低的多。

對(duì)多離子協(xié)同擴(kuò)散的作用機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，超離子晶體中的離子結(jié)構(gòu)和離子之間的相互作用是產(chǎn)生多離子系統(tǒng)擴(kuò)散作用的關(guān)鍵因素。在Li+濃度較高的晶體之中，由于能量較低的點(diǎn)位都已經(jīng)被Li+所占據(jù)，因此部分Li+不得不去占據(jù)能量較高的點(diǎn)位，在Li+相互之間庫(kù)倫力的作用下，占據(jù)在高能量點(diǎn)位的Li+也變得穩(wěn)定。在多離子協(xié)同擴(kuò)散時(shí)，處于高能量點(diǎn)位的Li+向低能量點(diǎn)位擴(kuò)散時(shí)，能夠抵消一部分由低能量點(diǎn)位向高能量點(diǎn)位擴(kuò)散的Li+所需要的活化能，因此也就使得Li+擴(kuò)散的能量壁壘大大降低了。

XingfengHe提出超離子導(dǎo)體擴(kuò)散模型，不僅能夠解釋常見(jiàn)的Li+超離子導(dǎo)體的工作機(jī)理，還能夠推廣到其他種類(lèi)的離子的超離子導(dǎo)體研究之中。同時(shí)該方法還能夠指導(dǎo)超離子導(dǎo)體的設(shè)計(jì)，XingfengHe的研究顯示通過(guò)在晶體中的高能點(diǎn)位導(dǎo)入部分Li+可以顯著的降低Li+的擴(kuò)散壁壘，提高晶體的離子電導(dǎo)率。XingfengHe根據(jù)上述結(jié)果，對(duì)LiTaSiOandLiAlSiO4進(jìn)行了設(shè)計(jì)，顯著提高了晶體的離子電導(dǎo)率。