名古屋大學研究所研究團隊成功培育出毫米尺寸的氟氧化物單晶固態電解質,晶體內部鋰離子傳導率為當前全球最高紀錄,可望促進高性能全固態鋰離子電池的開發。對於全固態鋰離子電池來說,固態電解質的鋰離子傳導性會大幅影響電池的輸出功率與充放電速度,目前氧化物與氟化物都是受到矚目的固態電解質候選材料,但仍有鋰離子傳導率偏低等問題尚待解決。研究指出在燒綠石型氟氧化物多晶體「Li₂₋ₓLa₍₁₊ₓ₎⸝₃Nb₂O₆F (LLNOF)」中,Li₁.₂₅La₀.₅₈Nb₂O₆F的室溫鋰離子傳導率可以達到7.0 mS/cm⁻¹,但目前尚未徹底掌握其鋰離子傳導特性與成分依存性。
研究團隊以LLNOF培育毫米尺寸的單晶,針對其晶體內部鋰離子傳導特性、成分依存性,以及晶體結構進行研究。結果顯示,在25℃條件下,LLNOF單晶體離子傳導率可達12.0 mS/cm⁻¹,優於多晶體的結果,針對兩種不同晶體方位的測量結果則幾乎沒有差異。針對不同成分的單晶進行評估後,發現鋰離子傳導率會隨著x的降低而提升,活化能則會隨之降低。其中,x = 0.61的單晶在25℃條件下的晶體內部鋰離子傳導率可達16.3 mS/cm⁻¹,為當前全球最高紀錄。
研究團隊利用單晶X光繞射針對晶體結構進行精密分析,並透過差異傅立葉分析與最大熵法,針對氟離子周圍的電子密度進行研究。結果發現,在由周遭的鋰、鑭與空孔所構成的四面體結構中,氟離子的位置相較於中心偏離了約0.32 Å。鋰離子移動至空孔時,其位置會與空孔互換,受到空孔方向影響的氟離子穩定位置也會隨之改變。研究團隊透過晶體結構分析證實,這種與鋰離子移動連動的局部氟離子鬆弛,就是支撐LLNOF高速離子傳導的機制。