伴随着便携式离子存储器件和移动储能器件的快速发展，设计开发具有超快离子传输特性的电解质材料并阐明其离子传输机制成为亟待解决的关键问题之一。目前的离子存储器件和以锂离子电池为代表的储能器件中主要使用离子电导率较高的有机液态电解质，而液态电解质存在着易燃、漏液等安全隐患。相较于液态电解质，固态电解质具有不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液等优势，因而引起了学术界和产业界的普遍关注与重视。在传统的无机固态电解质中，离子主要通过缺陷和间隙位点传输，而且离子的传输通道高度无序，导致其离子电导率较低。同时，固态电解质的厚度通常达到几十纳米甚至更厚，这极大的延长了离子传输距离。此外，固态电解质与沟道材料或者电极材料接触的界面处存在大量的悬键态，导致界面结构和电子态性质极为复杂。二维材料因具有比表面积大、无悬挂键、物理化学性能优异、力学稳定性高、易于与二维电极材料形成良好的范德瓦尔斯（van der Waals, 简称 vdW）接触等优势有望成为快速离子传输的超薄固态电解质。

基于此，南开大学电子信息与光学工程学院电子科学与工程系王维华教授所在团队与美国德克萨斯大学达拉斯分校 Kyeongjae Cho教授、山东建筑大学李鲁艳副教授合作，开展了针对准二维vdW固态电解质的研究，相关结果在 RSC 旗下期刊 Nanoscale 发表，题为“Ideal two-dimensional solid electrolytes for fast ion transport: metal trihalides MX3 with intrinsic atomic pores” (Nanoscale, 2020, DOI: 10.1039/C9NR08719B)。文章中提出一系列具有本征原子孔和宽带隙特征的二维金属卤化物 MX₃ (ScCl₃, ScBr₃, AsI₃, ScI₃, YBr₃, SbI₃, YI₃  和 BiI₃)可用作理想的超薄固态电解质材料。该工作被选为 “Editor’s Choice: 2D Materials for Energy Storage and Conversion”。

本工作采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，以具有本征原子孔和宽带隙的二维金属卤化物 MX₃(ScCl₃, ScBr₃, AsI₃, ScI₃, YBr₃, SbI₃, YI₃  和 BiI₃)作为为研究对象，其结构示意图详见图 1。论文首先对 MX₃络合不同金属离子(Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺)的稳定性进行了探究，结合体系结合能和声子谱的研究结果，表明了 MX₃ 络合金属离子体系的稳定性。该工作计算了不同金属离子通过单层 MX₃ 和块体 MX₃ 其中一层的扩散势垒，同时基于 Arrhenius 关系计算了离子的传输时间，如图 2 所示。研究结果表明，在单层 MX₃ 中(图 2(a))，Li⁺ 因其具有较小的离子半径，易于陷入单层 MX₃  的原子孔中，因此 Li⁺ 的扩散势垒由其从原子孔内移动到单层 MX₃  的表面过程决定，扩散势垒范围在 ~0.46-0.57 eV，对应的通过单层的传输时间在 ~µs-ms 量级。Na⁺ 在单层 ScCl₃ 和 ScBr₃ 中的扩散势垒较小（分别为 0.16 eV 和 0.29 eV），对应的传输时间为 0.05 ns 和 7.96 ns。随着 MX₃ 原子孔径变大，Na⁺ 将陷入原子孔中，因此通过单层 MX₃ 的扩散时间延长。不同于 Li⁺ 和 Na⁺，K⁺ 具有最大的离子半径，相对容易通过孔径较大单层 MX₃，对应的单层扩散时间为 ~ns甚至 ~sub-ns 量级。结合实际应用，单层 MX₃ 受基底和周围环境的影响较大，少层、多层甚至块体体系的应用价值更值得关注。因此论文中以离子通过块体 MX₃ 的其中一层为例研究了例子的扩散过程：包括层内扩散和层间扩散两个步骤，详见图 1(c)。从图 2(b)中可以看出，层间的 vdW 作用辅助了 Li⁺ 层内的扩散，其通过一层的传输时间在 0.03 ns-22.70 ns 范围内，尤其是 Li+ 在 YBr₃ 中传输时间为 0.03 ns，表明多层或块体 YBr₃具有优异的离子传输性能。同时，Na⁺ 和 K⁺ 在 MX₃ 中也具有较快的离子传输性能，通过一层的扩散时间在 ~ns-μs 和 ~μs-ms 量级。

作为理想的超薄固态电解质，除了具有快速的离子传输性能，离子在传输过程中固态电解质须保持良好的绝缘性。如图 3，结合电子结构的分析表明，在离子通过单层 MX₃ 固态电解质过程中，MX₃ 固态电解质的绝缘性能保持良好。

该项工作提出了具有原子孔结构的准二维 vdW 材料用作固态电解质的可能性，通过计算分析证明了其具有超快的离子传输性能和良好的绝缘性质，这为进一步的实验研究和离子器件应用提供了强有力的理论参考。

• Ideal two-dimensional solid electrolytes for fast ion transport: metal trihalides MX₃ with intrinsic atomic pores
  Maokun Wu, Pan Liu, Luyan Li, Hong Dong, Yahui Cheng, Haijun Chen, Weichao Wang, Hui Liu, Feng Lu*（卢峰，南开大学）, Wei-Hua Wang*（王维华，南开大学） and Kyeongjae Cho*（美国德克萨斯大学达拉斯分校）
  Nanoscale., 2020
  http://dx.doi.org/10.1039/C9NR08719B