相对于传统的液态电池，全固态锂离子电池可以大幅提高安全性能，而固态电解质是其重要组成部分。近年来，具有的高化学稳定性和高离子电导率的立方相Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）受到了广泛关注。在实际制备中，LLZO一般以多晶形式存在，且面临因晶界和裂纹生长而带来潜在的锂枝晶问题。为抑制锂枝晶的生长，研究人员开始探索非晶LLZO的制备，但其室温锂离子电导率较低，限制了其实际应用。因此，深入了解非晶LLZO的局域结构，并寻找提高锂离子电导率的策略，已成为该领域研究的一个重要目标。

最近，厦门大学研究团队结合从头算分子动力学模拟和深度学习分子动力学模拟方法，详细研究了原始比例下非晶LLZO的局域结构与锂离子电导率的关系，以及元素比例变化对锂离子电导率的影响。计算表明，在原始比例下，Zr-O多面体的均匀分布有利于提高锂离子电导率。通过从头算分子动力学模拟得到了立方相LLZO和三种非晶样品的锂离子电导率。研究发现，Zr-O多面体均匀程度较高的非晶样品的锂离子电导率可达到与立方相LLZO相近的水平。

图1  (a-c)三种非晶样品中的g(r)和n(r)；(d)Zr-O多面体连接示意图。

此外，该研究团队设计了一套独特的训练集组成策略，构建了可准确描述晶相及组分变化下的非晶相Li-La-Zr-O体系的原子间相互作用势，并分析了组分变化对非晶体系锂离子电导率的影响及其内在机理。计算结果显示，对于非晶Li_xLa_yZr_zO_(x+3y+4z)/2，在锂含量一定的情况下，适量减少La的含量，可以引入更多Li位点，增强锂离子的电导率。

图2  原子间相互作用势的训练集构成和训练流程图

图3 (a) 不同元素组分的非晶材料的锂离子电导率；(b) 不同元素组分的锂位点比例；(c) 锂离子电导率与锂位点比例的关系。

研究结果表明，非晶LLZO具有较高的锂离子电导率，通过局域结构或者组分比例调控，可优化材料中的锂离子迁移性能。该研究也给出了锂离子电导率与非晶体系元素组分关系图，这对后续的实验制备研究提供了重要理论指导，为非晶LLZO固态电解质的制备开发奠定了重要基础。其中，非晶组分比例调控也有望推广至其他非晶体系的离子电导优化调控研究中。

相关研究成果分别以“Influence of Zr Aggregation on Li-ion Conductivity of Amorphous Solid-State Electrolyte Li-La-Zr-O”为题在期刊The Journal of Chemical Physics上发表 (DOI:10.1063/5.0174779)，以“Exploring the Relationship between Composition and Li-Ion Conductivity in the Amorphous Li-La-Zr-O System”为题在期刊ACS Materials Letters上发表(DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c01558)。

计算凝聚态物理研究组博士生张德鑫为论文第一作者，吴顺情教授为通讯作者，研究生游逸玮、吴福伦、赵春东，及曹昕睿副教授、吕铁羽副教授、孙阳副教授和朱梓忠教授等参与了相关研究工作，厦门大学物理学系为第一单位。

文章链接：

[1] https://dx.doi.org/10.1063/5.0174779

[2] https://dx.doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c01558