最新一期【研发信息汇总】已发布↓↓↓

一周研发资讯汇总（20251222-20251228）

欢迎点击浏览，参与投票，决定更新内容

↓↓↓文章末尾获取原文链接↓↓↓

本文2352字，阅读约需7分钟

摘要：研究小组应用流体力学中流场的概念，对固态电解质进行分子动力学模拟，并通过将离子的位移矢量相互连接构建的“有向图分析”，成功地可视化了模拟过程中实际发生的协同离子传输过程,结果发现，“一个跃迁会诱导另一个离子的跃迁”这一因果链大大推动了实际离子传导。

关键词：协同离子传输、固态电解质、离子传导、分子动力学模拟、钠离子

要点

通过应用拥堵学和流体力学中的流场分析方法，研究小组在世界上首次成功对电池材料内部发生的被称为“协同离子传输”的集体运动进行了可视化和分析。
研究小组发现了一个将可视化的集体运动与离子电导率一一联系的新理论公式，并阐明了电池性能的基本原理：“多少个离子以何种方式协同运动能提高电导率？”
这一成果有望建立一种新物理化学理论，为电池材料奠定基础，并为控制集体离子传输的下一代固态电解质的设计提供指导。

通过有向图分析，实现二次元超离子导体Na2Ni2TeO6中的协同传输的可视化及其计算的离子电导率

概要

研究小组应用流体力学中流场的概念，开发出一种可视化电池材料中离子的集体传输的新分析方法。

研究小组对固态电解质进行分子动力学模拟，并通过将离子的位移矢量相互连接构建的“有向图分析”，成功地可视化了模拟过程中实际发生的协同离子传输过程。此外，根据该图计算离子电导率时，研究小组证实了结果与基于严格统计力学的离子电导率计算公式相吻合。通过这一方法，不仅可以直接获得固态电解质中“有多少离子协同运动”的图像，还建立了将集体运动与离子电导率一一联系起来的新理论公式。这一成果为控制协同运动以提高电池性能提供了物理化学基础，有望为下一代固态电解质的设计提供帮助。

研究内容

电池，包括智能手机中使用的锂离子电池，是支撑现代社会的基础技术。特别是，全固态电池作为一种有望实现更高的安全性和更高的能量密度的下一代电池，受到了广泛关注。然而，锂离子等对电池充放电至关重要的离子在固体中的迁移率远低于液体，这一直是提升电池性能的主要障碍。

到目前为止，人们已经开发了多种固态电解质材料，其中离子运动速度特别快的优异材料具有一个共同特征：即一个离子的运动会带动周围的离子依次位移，从而像多米诺骨牌一样发生连锁移动，这种现象被称为“协同传输”（图1）。当发生这种集体运动时，不仅大量离子能够有效参与传输，而且移动所需的能量也会降低，因此这是直接影响电池材料性能的重要现象。

图1:协同离子传输的有向图分析模型的概述

然而，要阐明这种协同传输的本质并非易事。由于多个离子相互影响，并且还与周围的晶体环境相互作用，问题变得极其复杂，涉及三个或更多个物体。正如庞加莱所证明的，从数学角度来看，对于涉及三个或更多物体的问题，获得解析解极其困难，而且迄今为止，这种现象的具体图像和机制仍然未知。

研究小组将汽车相关的拥堵学和流体工程中使用的流动分析方法应用于材料，并通过将离子传输视为一种流体进行分析，成功地建立了协同传输模型。

在分子动力学模拟中，通过数值求解离子的运动方程，研究小组尝试再现固体中离子的运动情况。本研究中，研究小组将模拟结果按短时间间隔（τ）进行分析，即“离子是否从原来的稳定位置跃迁到另一个位置”。在这个短时间内，跃迁离子的运动可以清楚地表示为箭头（位移矢量）。接下来，当各位移矢量在“时间上和空间上都接近”时，研究小组将其视为相互关联的一系列运动。空间上的“接近”使用基于van Hove相关函数确定的相关距离rcut来判断。具体而言，如果一个离子跃迁的终点与另一个离子跃迁的起点位于rcut范围内，则认为这两个跃迁是相互关联的事件，并将位移矢量连接起来。通过这种方式得到的位移矢量的连接可以表示为有向图，从而可视化离子像“多米诺骨牌”般协同运动的传输路径。此外，在这个协同路径上，研究小组没有关注“哪些离子在运动”，而是计算单个离子在τ时间内运动了多远，由此定义了表观扩散系数，并将其与离子电导率的计算联系起来。

使用这项研究开发的模型，研究小组分析了各种固态电解质中的协同传输情况。图2是具有层状结构的二维离子导体Na₂Ni₂TeO₆中Na离子协同传输的一个例子。如右下角的晶体结构所示，在该材料中，Na层夹在多面体氧化物层之间，Na离子主要在二维平面内移动。图中仅显示了这一Na层及其正下方的氧化物层。研究小组基于t=203ps的位置绘制位移矢量时，可以发现离子随时间在稳定位点之间跳跃的传输现象。在t=203.6ps时，首次跳跃发生在中心附近，随后的时间里，周围的离子依次发生跳跃，显示出连锁的协同传输的情况。

图2：二维离子导体Na2Ni2TeO6中协同传输的快照

图3总结了在整个Na层中这种短时间内的跳跃连接。如图所示，既有由2～3次跳跃连成的短程协同传输，也有多达5～10个离子协同移动的长路径。统计分析发现，涉及五个或更多离子协同传输的情况占总体的百分之几十（图3中心），一旦发生跳跃事件，就会“触发”大量离子像雪崩一样协同移动，从而显著促进离子传导。

图3：（a）Na2Ni2TeO6中某个Na层在某一时间段内协同传输的轨迹。（b）在Na2Ni2TeO6中发生的协同传输所涉及的离子数量N的概率密度分布。（c）根据（a）中协同传输轨迹的“端到端的表观离子移动距离”计算的离子电导率（有向图）及实际Na2Ni2TeO6的Na离子电导率。

此外，当使用这一协同传输路径的“端到端的表观移动距离”来计算离子电导率时，如图中红色三角形所示，研究小组可以确认其能够精确地再现基于严格统计力学的Green–Kubo公式的计算结果。也就是说，虽然这是一个通过连接位移矢量（箭头）来表示协同传输的简单图像，但已经证明其是一个能够正确捕捉实际离子集体运动的模型。

分析本研究中获得的协同传输路径，结果发现，“一个跃迁会诱导另一个离子的跃迁”这一因果链大大推动了实际离子传导。以往的研究主要集中在单个离子的自扩散及时间相关性上，而本研究首次直接可视化了包括空间联系在内的“时空协同性”，并首次证明其与通过Green–Kubo公式定义的严格离子电导率相吻合。

此外，由于该模型能够高效提取“某一次跃迁引发下一次跃迁的情形（周围环境）”，从而为阐明以往讨论过的离子–晶格相互作用等快速离子传导的起源提供了线索。这些成果为控制协同离子传输以提高材料性能提供了新的设计指南，有望为下一代固态电解质的开发做出贡献。

https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2025-12-17-002

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5c02374

（1）资讯定制

对于本文章中提到的技术，有海外相关技术信息（行业资讯、技术报告、专利信息等）扩展搜集需求的，欢迎留言区留言，或联系邮箱【info#aipatent.com（注明“资讯定制”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”】了解详情。

（2）征稿启事

应部分读者建议，本公众号现开放投稿，面向企业及科研机构人员征集稿件，可以分享技术信息、学术类论文、科研成果以及研究见解等。

投稿请发送至邮箱：support#aipatent.com（请注明“AIpatent公众号来稿”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”

对电池材料中的“协同离子传输”的可视化——破译离子的集体运动，阐明快速离子传导的物理机制