近日，深圳北理莫斯科大学材料科学系李树奎教授和卞均操副研究员在全固态电池关键材料研究中取得重要突破，他们成功制备出一种新型硫代硼酸锂LiBS₂固态电解质，并揭示了“Li-S”动态配位耦合增强锂离子传输新机制。相关成果以“Dynamic Li-S Coordination Boosted Superionic Conduction in Cubic LiBS₂ Solid Electrolyte”为题发表于国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》。深圳北理莫斯科大学为第一完成单位，李树奎教授、卞均操副研究员、南方科技大学王李平教授、汕头大学邓贝副教授、‌中国科学院固体物理研究所王培副研究员为本文共同通讯作者。

固态锂金属电池因具备更高的理论能量密度和本征安全性，被广泛认为是最有潜力的下一代电池技术的重要方向。在众多固态电解质体系中，硫代硼酸锂体系因其极高的理论锂离子电导率而备受关注。然而，目前该体系的实验研究仍明显滞后，实际测得的离子电导率与理论预测值之间存在显著差距。同时，如何在固体电解质中突破传统“空位扩散模型”框架，发掘新的离子传导机制，仍是全固态电池领域的核心科学问题之一。本研究团队利用国产六面顶大腔体压机，通过调控合成压力、温度等热力学参数，在国际上率先成功制备出了具有超高锂离子导率的立方相LiBS₂固态电解质。

图1

XRD和精修数据显示，通过调节反应温度，成功获得了立方相（1100 °C）和四方相（1150 °C）LiBS₂固态电解质。其中，立方相LiBS₂属于F43(_)c空间群，其晶体结构由平面Li-S₄配位单位和极化的四面体Li-S₄配位单元共同构成，并嵌套在一个高度稳定的B-S刚性骨架之中。这一结构特征为锂离子的快速迁移提供了全新的结构模型（图1）。四方相LiBS₂属于I42d空间群，其结构由Li-S₄和B-S₄四面体组成。这种结构上的差异导致立方相和四方相LiBS₂固态电解质的室温离子电导率分别为0.43 mS cm⁻¹和9.7×10⁻³ mS cm⁻¹。

作者采用第一性原理计算中的爬坡图像弹性带方法以及从头算法分子动力学模拟，深入解析了立方相LiBS₂中锂离子的传输机制。模拟结果表明，在所有可能的迁移路径中，锂离子沿24d→24d点位之间路径迁移具有最低能垒，仅0.35 eV，是立方相LiBS₂中主导的扩散通道。更为重要的是，锂离子的迁移并非发生在静态晶格中，而是在空间和时间上均伴随着局域的“Li-S”动态配位过程。在迁移起始阶段，锂离子离开平面Li-S₄配位中心，迁移过程中，原有Li-S键发生断裂，同时新的Li-S键同步生成，这种“配位-脱配位-再配位”的动态过程，使锂离子在过渡态中仍能保持不低于4的高配位数，甚至短暂形成五配位结构，从而显著降低迁移过渡态能量。此外，迁移路径周围的锂离子并非静止不动，而是发生集体扭曲与旋转，以类似“旋转浆轮效应”的协同方式推动锂离子完成迁移（图2f）。这一机制与经典的“空位扩散模型”存在本质区别，是立方相LiBS₂实现超离子传导的关键物理根源（图2）。

图2

该工作通过高压合成策略成功构筑了一种新型硫代硼酸锂固态电解质，并揭示了“Li-S动态配位”驱动的锂离子超离子传导机制。研究结果不仅为缩小硫代硼酸锂体系“理论-实验”性能差距提供了新思路，也为未来新型固体电解质设计提供了重要理论指导。

该研究还得到了深北莫-华一动力电池检测联合实验室、深圳市龙岗区动力电池材料与器件重点实验室以及广东省绿色储能材料重点实验室等项目的支持。

全文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202527133