据外媒报道，近期发表在期刊《科学（Science）》上的一项研究介绍了一种极具潜力的固态电解质材料，该材料有望提升下一代锂电池的性能，尤其是在低温环境下。伊利诺伊理工大学（Illinois Institute of Technology）化学系研究教授James Kaduk是该论文的共同作者，其为这项研究做出关键贡献：确定锂原子在晶体结构中的位置。

图片来源：《科学（Science）》（2025）

这篇题为“阴离子亚晶格设计实现晶体卤氧化物中的超离子电导率”的论文描述一种名为氯氧化钽锂（LTOC）的新型材料。即使在低温下，该材料也具有高离子电导率和低活化能，有望促进高性能固态电池的开发。锂是已知最轻的金属，由于其离子易于移动，能够高效地存储和释放能量，因此被广泛应用于电池中。了解锂离子在这种新型材料中的移动方式对于解释LTOC异常优异的性能至关重要。

Kaduk表示：“我的贡献虽然微不足道，但最终却很有用。真正让我兴奋的是找到原子的位置。”Kaduk的任务并不简单。他常用的绘制原子结构图的主要工具——X射线衍射——难以探测氢和锂等较轻的元素，尤其是在它们被钽等较重的元素包围时。Kaduk解释道：“由于X射线会被电子散射，而锂只有三个电子，因此寻找起来格外困难。”

Kaduk并没有直接寻找锂原子，而是采用一种间接的方法，即寻找锂原子可能存在的空隙。由于原子之间无法重叠，一旦确定较重原子的位置，Kaduk就能找到它们之间足够容纳锂离子的微小空隙。通过逐步缩小搜索范围，Kaduk最终确定出一系列位点，即晶体结构中允许微小粒子进入和移动的开放位置，这些位点可以容纳锂离子。这些位点彼此距离很近，使得锂离子能够轻松地从一个位点“跳跃”到另一个位点。这一细节至关重要。结构分析显示，钽、氧和氯之间存在长而刚性的链，这些链之间形成开放的通道。锂离子在这些通道中扩散，其移动效率比目前电池中沿材料长度方向的移动效率更高。这一过程有助于制造性能更佳的电池，因为锂离子在结构中移动越自由，电池的性能就越好。

在确定锂原子的位置后，研究团队利用量子力学计算对该结构进行测试，以确认其稳定性。

Kaduk表示：“我们应用了所谓的‘密度泛函量子力学技术’来优化结构。在这种情况下，结构几乎保持了精修后的状态，这为结构的正确性提供了额外的证据。”该结构所揭示的开放通道有助于解释这种材料最有前景的特性之一。即使在低温下，这种材料也能很好地导电锂离子。这一特性使其在从电动汽车到寒冷气候下的储能等诸多应用领域具有极高的价值。

尽管Kaduk的工作只是庞大国际合作项目的一部分，但其贡献帮助人们将一个有趣的发现转化为对材料工作原理更清晰的理解，使研究人员离设计更高效的电池更近一步。对Kaduk而言，最大的成就感来自于解开这个分子谜题。Kaduk表示：“仅仅基于一些非常简单的想法就能完成这项工作，这非常令人满足，尤其是当你进行量子力学计算，发现计算结果与锂原子的位置吻合良好时，你会更有信心。”