Инициация динамически неупорядоченной подрешётки лития в суперионных проводниках

Вращающиеся блоки для улучшения аккумуляторов

Большинство людей слышат о твёрдотельных аккумуляторах как о следующем шаге для более безопасных электромобилей и телефонов, но мало кто знает, что ограничивает их работу. В этом исследовании показано, что заставить определённые крошечные группы атомов внутри материалов аккумулятора вращаться, почти как игрушки, может помочь ионам лития двигаться свободнее, подобно жидкости. Эта простая идея может позволить твёрдым аккумуляторам заряжаться быстрее и служить дольше без потери безопасности.

От жёстких твёрдых тел к движению, подобному жидкости

В большинстве твёрдых материалов для аккумуляторов учёные сосредотачивались на том, как атомы расположены в жёстких повторяющихся структурах. Эти структуры создают фиксированные каналы, по которым ионы лития перескакивают. Некоторые кристаллы уже являются «суперионными», то есть литий может быстро перемещаться по ним, но по-настоящему жидоподобное движение лития встречается редко и плохо изучено. Авторы пересмотрели проблему и задали иной вопрос: что если, помимо изменения только статической схемы атомов, специально проектировать то, как части материала движутся и поворачиваются во времени?

Позволяя атомным кластерам вращаться

Внутри многих твёрдых тел отрицательно заряженные группы атомов ведут себя как крошечные молекулярные кластеры. Команда показала, что когда эти кластеры могут свободно вращаться, они могут перемешивать привычные упорядоченные положения, где обычно сидел бы литий. С помощью продвинутых компьютерных моделирований они обнаружили, что по мере того как эти кластеры начинают отклоняться на большие углы, они создают дополнительные временные «станции» для ионов лития. Это делает энергетический ландшафт для лития менее ровным, но более проходимым, открывая множество коротких путей с низкими барьерами вместо нескольких жёстких трасс. В результате литий начинает вести себя больше как частицы в жидкости, хотя материал остаётся твёрдым.

Простое правило для поиска хороших «вращателей»

Чтобы превратить эту идею в инструмент проектирования, исследователи предложили простую метрику, которую назвали фактором толерантности вращения. Этот фактор учитывает, насколько далеко центр кластера находится от соседних ионов лития и от собственных внешних атомов, а также принимает во внимание массу и заряд кластера. Лёгкие слабо заряженные кластеры, например содержащие группы SH или NH2, как правило, легче вращаются. Просматривая множество возможных кристаллических каркасов с помощью этого правила, команда выявила кандидатные материалы, в которых такие кластеры должны свободно вращаться и вызывать сильное неупорядочение подрешётки лития.

Проектирование и проверка более быстрых проводников

Руководствуясь правилом, основанным на вращении, авторы спроектировали несколько новых галогенидных и оксидных материалов, в которые встроены эти лёгкие кластеры в известных кристаллических каркасах. Моделирование предсказало, что вращающиеся кластеры снизят энергетические барьеры для движения лития и значительно повысят проводимость при комнатной температуре, в некоторых случаях до десятков миллисименс на сантиметр, что очень много для твёрдого тела. Затем они синтезировали практическую версию, добавив небольшое количество групп NH2 в уже существующий хлоридный материал. Измерения подтвердили, что модифицированное твёрдое тело проводит литий примерно в четыре раза лучше оригинала и поддерживает стабильный цикл при испытаниях в полнотвёрдотельных батареях с распространёнными катодными материалами.

Что это значит для будущих аккумуляторов

В целом исследование показывает, что путь к лучшим твёрдым электролитам — это не только правильная укладка атомов, но и поощрение нужных видов движений внутри этой структуры. Вращающиеся кластеры целенаправленно перемешивают предпочтительные позиции для ионов лития, давая им больше вариантов и более плавные маршруты для перемещения. Для неспециалистов посыл ясен: рассматривая материалы твёрдых батарей скорее как динамичные механизмы, а не застывшие блоки, исследователи могут обеспечить более быстрый поток ионов и приблизиться к безопасным, высокоэффективным твёрдотельным аккумуляторам.

Цитирование: Guan, C., Zong, J., Li, J. et al. Triggering dynamically disordered lithium sublattice in superionic conductors. Nat Commun 17, 4651 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71304-3

Ключевые слова: суперионный проводник, твёрдотельный аккумулятор, диффузия лития, вращение анионов, ионная проводимость