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。
借助中子/同步辐射X射线全散射、X射线吸收光谱等先进表征手段，结合上述创新计算方法，团队首次解析了该低锂非晶电解质的高导电机理：其形成了由 [ZraCl4a(SO4)]2-（1 ≤ a ≤ 4）组成的无序骨架结构，硫酸根离子与氯化锆单元通过 Zr-O 键互联形成连续的锂离子传输网络，锂离子可通过低配位氧位点实现快速跳跃；同时，非晶结构造就的受挫能态景观消除了锂离子传输的能垒差异，实现了低锂含量下的高离子电导率。此外，该电解质还具备优异的实际应用特性：电子电导率低至10-9 S cm-1，满足固态电解质的绝缘要求；杨氏模量约2.0GPa，属于软电解质范畴，冷压即可形成致密圆片，能与电极实现紧密接触，有效降低界面电阻；氧化电位达4.4V vs. Li/Li+，可匹配高电压正极材料；前驱体Li2SO4成本低廉，即使使用低纯度原料仍能保持稳定的离子电导率，进一步降低了规模化应用的成本。在电池性能验证中，以0.5Li₂SO4-ZrCl4为电解质、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）为正极的全固态锂电池表现出卓越的电化学性能：30 ℃下倍率性能优异，长循环稳定性突出，1C倍率下循环1400次容量保持率达81.1%，循环2500次后仍有101.7 mAh g-1的放电容量。针对动力电池的高载量需求，团队制备了NCM811载量达38.95 mg cm-2的全固态电池，其初始面容量达6.4 mAh cm-2，0.1C下循环300次容量保持率82.4%；即使在2.8~4.6V的高压窗口下，电池0.2C初始容量仍达218.2 mAh g-1，100次循环容量保持率70%，展现出良好的高压兼容性。