材料基因組是近年來興起的材料探索方法，其研究的關(guān)鍵是實現(xiàn)材料研發(fā)的“高通量”,，即并發(fā)式完成“一批”而非“一個”材料樣品的計算模擬,、制備和表征，實現(xiàn)系統(tǒng)的篩選和優(yōu)化材料,，從而加快材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的過程,。在鋰電池中，從改善安全性的角度考慮,，全固態(tài)鋰電池被公認為未來二次電池的重要發(fā)展方向,。然而使用固體電解質(zhì)材料的一個最大問題是固體電解質(zhì)中鋰離子電導(dǎo)率比常規(guī)液態(tài)電解質(zhì)中低了至少一個數(shù)量級。由于鋰離子的輸運快慢與電池性能息息相關(guān),，因此開發(fā)兼具高離子電導(dǎo)率,、高穩(wěn)定性、高機械強度的固體電解質(zhì)材料勢在必行,。

    中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）清潔能源實驗室E01組近年來一直致力于將材料基因組思想用于鋰電池材料的開發(fā)中,。但是基于量子力學(xué)方法的離子輸運性質(zhì)計算的運算量很大，不適合于發(fā)展高通量算法,。研究人員通過開發(fā)基于半經(jīng)驗勢的離子輸運路徑與勢壘計算軟件BVpath（計算機軟件著作權(quán)登記號：2015SR161954）,，并將不同計算精度的方法相結(jié)合用于材料篩選和優(yōu)化的不同階段，由此發(fā)展了基于離子輸運性質(zhì)的鋰電池材料高通量計算流程,。使用該高通量計算工具,，研究人員對無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中1000 余種含鋰材料的離子輸運性質(zhì)進行了高通量計算篩選，搜索了可能用于下一代固態(tài)鋰二次電池的固態(tài)電解質(zhì)材料【J Materiomics 1,325(2015)】,。對于鋰離子電導(dǎo)率較高的硫化物,，采用不同精度結(jié)合的高通量計算研究了固體電解質(zhì)β-Li3PS4 的摻雜優(yōu)化方案，發(fā)現(xiàn)氧摻雜能有效提高離子電導(dǎo)率和改善其熱力學(xué)穩(wěn)定性,，并通過實驗驗證了該方案【Sci. Rep. 5, 14227(2015); Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 21269(2016)】,。

    近期，該課題組中國工程院院士陳立泉,、研究員李泓和副研究員肖睿娟指導(dǎo)博士生王雪龍,，從上述氧摻雜硫化物的方案出發(fā)，提出了在固體電解質(zhì)中引入多種陰離子共存的設(shè)計思想,，并據(jù)此設(shè)計出一種全新的氧硫化物固體電解質(zhì)LiAlSO材料。通過基于晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測方法的高通量計算,，確定了該材料的晶體結(jié)構(gòu),，并研究了其熱力學(xué)穩(wěn)定性、動力學(xué)穩(wěn)定性和離子輸運性質(zhì),。計算結(jié)果顯示該化合物在a軸方向具有很低的鋰離子遷移勢壘,，屬于快離子導(dǎo)體,，有望成為固態(tài)鋰電池中固體電解質(zhì)的備選材料。該材料已申請國家知識產(chǎn)權(quán)局專利保護（專利申請?zhí)? 201710046965.8）,。這是基于材料基因組思想開發(fā)出的第一個全新結(jié)構(gòu)的固體電解質(zhì)材料,，并且將固體電解質(zhì)材料的研究范圍拓展至氧硫化物及混合陰離子化合物的領(lǐng)域。這一研究成果作為編輯推薦論文在《物理評論快報》（Physical Review Letters 118, 195901 (2017)）上發(fā)表,。

    通過建立適用于鋰二次電池新材料開發(fā)的高通量計算理論工具與研究平臺,，研究人員初步實現(xiàn)了材料基因組思想在鋰電池新材料研發(fā)中的示范應(yīng)用，上述材料基因組方法的成功應(yīng)用為進一步將信息學(xué)引入高通量計算數(shù)據(jù)的分析,、實現(xiàn)材料大數(shù)據(jù)解讀提供了基礎(chǔ),，并為在其他類型材料的研究過程中推廣這種新的研發(fā)模式提供了可能。這一方向的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委（11234013）,、科技部（2015AA034201）,、北京市科委（D161100002416003）、中科院青年創(chuàng)新促進會（2016005）以及北京市材料基因聯(lián)盟的大力支持,。