基于外延应力调控Li3OCl单晶薄膜中锂离子的输运特性及其机理研究

In oxide-based lithium ion solid electrolytes, the lattice distortion and symmetry breaking have significant impacts on the electron and lithium ion transport properties, due to the intense coupling of multi-physics fields among charge, orbit, spin and lattice. The epitaxial strain is a widely-used method to modulate the crystal structure in thin films. However, there are few experimental reports about its modulation in lithium ion transport properties in solid electrolyte thin films, and the modulation mechanism is still unclear. This project intends to prepare single-crystalline lithium-rich anti-perovskite Li3OCl thin film by laser molecular beam epitaxy (Laser-MBE) technology, and introduce tunable epitaxial strain into Li3OCl thin film based on lattice mismatch between Li3OCl and different substrates. By characterizing the crystal structure and electrochemical properties of these strained Li3OCl thin films, we will study the correlation among lithium ion transport properties, crystal structure distortion and epitaxial strain. This research will provide valuable references for developing new modulation methods to enhance lithium ion transport ability in Li3OCl and promoting the practical application of all-solid-state thin film lithium battery based on Li3OCl solid electrolyte.

氧化物型锂离子固体电解质中电荷、轨道、自旋和晶格之间通常存在强烈的多物理场耦合，据此晶格对称性破缺和晶格畸变对其中电子及锂离子的输运特性具有重要影响。外延应力是调控薄膜晶格结构的常用手段之一，但在调控固体电解质薄膜中锂离子输运特性的相关实验还鲜见报道，其中的调控机理并不明确。本项目拟利用激光分子束外延技术制备富锂反钙钛矿型固体电解质Li3OCl单晶薄膜，利用衬底和薄膜间不同程度的晶格失配，在Li3OCl单晶薄膜中引入不同类型和强度的外延应力，并结合晶体结构和电化学性能表征，研究外延应力与Li3OCl单晶薄膜的晶体结构和锂离子输运特性的关联规律，发展增强Li3OCl中锂离子传输能力的调控方法，推动基于Li3OCl固体电解质的全固态薄膜锂电池的实际应用。

固体介质中由于电荷、轨道、自旋和晶格之间存在强烈的多物理场耦合，晶格对称性破缺和晶格畸变对载流子（电子和离子）的输运特性具有重要影响。基于薄膜技术，利用外延应力、掺杂和纳米复合等手段可以有效调控材料晶格常数、晶粒尺寸和晶粒界面等结构特性，进而对载流子的输运特性产生巨大影响，提供研究材料结构和载流子输运特性之间的构效关系的理想模型。本项目首先以LiCl和Li2O作为原料，通过固相反应合成了高纯度反钙钛矿型固体电解质Li3OCl，研究了烧结温度、烧结时间对产物纯度的影响。进一步利用脉冲激光沉积技术制备了富锂反钙钛矿型固体电解质Li3OCl薄膜，研究了衬底温度、激光能量等参数对薄膜取向的影响，表征了高纯度Li3OCl粉体和薄膜的锂离子输运特性。同时开展了基于Li3OCl反钙钛矿的固态热激活式贮备电池研究，重点研究了Li3OCl和CoS2、MoO2、CrF2、FeF2、CoF2、NiCl2、LiF、LiMnO2等电极材料在高温下的兼容性，推动基于Li3OCl固体电解质的全固态薄膜锂电池的实际应用。采用脉冲激光沉积方法成功制备了SnS-SnSe纳米复合材料，并用作锂离子电池的正极，相比单相的SnS或SnSe，复合材料电极表现出优越的电化学性能，具有相当高的初始放电容量1225mAh/g，循环50次后可逆容量依然可达600mAh/g以上。通过CV和非原位XRD测量，揭示了SnS-SnSe纳米复合材料和Li的反应机理。最后开展了基于内嵌金属纳米晶体的BaTiO3薄膜介电特性调谐研究，通过激光分子束外延的方法在BaTiO3基质中可控低嵌入了Fe 纳米晶体，构建了Fe NCs-BTO复合介电体系，通过调整NC之间的间距，实现了从低频到高频区域巨大的介电常数增强效应以及介电损耗峰的偏移，并澄清了低频高温下晶粒和晶界对于介电常数增强的影响。