目前商業(yè)化的鋰離子電池均采用可燃的有機(jī)電解液，即將鋰鹽溶于有機(jī)溶液中，并包含添加劑；凝膠電解質(zhì)是將鹽和溶劑同時(shí)溶于高分子聚合物形成的膠體狀態(tài)電解質(zhì)。電池充放電時(shí)內(nèi)部升溫較容易引起氣體膨脹，從而導(dǎo)致封裝材料破裂、漏液、起火，甚至爆炸。

除安全隱患外，電解液的不可逆反應(yīng)可以消耗電極中的活性Li，降低電池的循環(huán)容量；副反應(yīng)產(chǎn)物可能增加電阻，影響充放電功率。此外，此類電池不易小型化，回收失當(dāng)利用可能污染環(huán)境。

由于對(duì)安全性的需求引起對(duì)于更多電解質(zhì)種類的關(guān)注。固態(tài)聚合物電解質(zhì)將鋰鹽與聚合物復(fù)合，可應(yīng)用于柔性可彎折電池。因其沒有自由液體電解質(zhì)，從而避免了漏液，而且電極、電解質(zhì)和隔膜式一體結(jié)構(gòu)使電池更耐沖擊、振動(dòng)、變形，大大緩解了燃燒、爆炸等安全問題。然而其電導(dǎo)率目前仍難以滿足應(yīng)用需求。

無(wú)機(jī)陶瓷是另一種有競(jìng)爭(zhēng)力的備選電解質(zhì)材料，其具有不可燃燒、不會(huì)爆炸、無(wú)泄漏、不腐蝕等特點(diǎn)，是安全問題的根本解決方案。

由于無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)具有周期性的晶體結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)易于計(jì)算，以材料基因組思想為基礎(chǔ)將計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，可以大大減小材料的開發(fā)周期和研發(fā)成本。

鋰(離子)電池?zé)o機(jī)固體電解質(zhì)高通量計(jì)算進(jìn)展

早在2011年，我國(guó)已經(jīng)非常重視鋰離子電池的計(jì)算模擬研究。當(dāng)年以“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”為主題的香山會(huì)議在北京舉行，將鋰離子電池材料作為代表性示范材料之一，計(jì)劃將基于計(jì)算模擬的材料數(shù)據(jù)庫(kù)、開源軟件工具以及機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于鋰(離子)電池的研發(fā)的全產(chǎn)業(yè)鏈，系統(tǒng)地提高能量密度，降低成本，提高服役壽命，并大大縮短鋰(離子)電池產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)周期。

Ceder團(tuán)隊(duì)進(jìn)展概述

Ceder教授團(tuán)隊(duì)材料基因組計(jì)劃的領(lǐng)軍人物，也是鋰電池計(jì)算領(lǐng)域的先驅(qū)，推薦閱讀：

材料計(jì)算領(lǐng)域頂尖團(tuán)隊(duì)CederGroup

Ceder團(tuán)隊(duì)：10萬(wàn)選3！高通量計(jì)算篩選電池正極包覆材料

Ceder教授是材料基因組計(jì)劃的發(fā)起者之一，原就職于麻省理工大學(xué)，現(xiàn)就職于加州大學(xué)伯克利分校。他的研究組開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)新結(jié)構(gòu)和挖掘現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中缺失的材料，在已有數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上建立新的數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)其中的材料進(jìn)行第一性原理計(jì)算。

目前已完成開源交互式可視化平臺(tái)的建設(shè)，并期望將材料的設(shè)計(jì)、計(jì)算、證實(shí)、發(fā)布和分析測(cè)試結(jié)合起來(lái)，以提高材料開發(fā)速度。

Designprinciplesforsolid-statelithiumsuperionicconductors.NatMater.

在2015年的一篇NatureMaterials中（上圖），他們從氧離子堆積方式與鋰離子通道的角度，提出氧的體心立方堆積，預(yù)示了高電導(dǎo)率的可能性。

InterfaceStabilityinSolid-StateBatteries,Chem.Mater.

考慮到固體電解質(zhì)與電極材料的界面電阻常常是全電池電阻的重要來(lái)源，他們?cè)谝黄狢hem.Mater.文章（上圖）中大量預(yù)測(cè)不同電解質(zhì)/包覆層/電極材料之間的穩(wěn)定性，以及化學(xué)反應(yīng)可能形成的界面相產(chǎn)物，并計(jì)算界面相的離子電導(dǎo)率，以預(yù)測(cè)高性能的組合。

Ceder目前在各個(gè)學(xué)校工作的學(xué)生，依然為全固態(tài)電池高通量計(jì)算做出了大量相關(guān)的工作。

馬里蘭大學(xué)的Mo,Yifei從電化學(xué)窗口的角度，對(duì)固體電解質(zhì)材料相對(duì)于正/負(fù)極的電化學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行了高通量計(jì)算。

在全固態(tài)電池的服役過程中，固體電解質(zhì)的力學(xué)性能同樣重要。加州大學(xué)圣地亞哥分校的ShyuePingOng計(jì)算了堿金屬超離子導(dǎo)體的彈性性質(zhì)。考慮到無(wú)機(jī)快離子導(dǎo)體除了可以作為固體電解質(zhì)材料替代有機(jī)電解液，同樣也可以作為水系電池的隔膜材料。他們還利用第一性原理計(jì)算了鋰離子和鈉離子超離子導(dǎo)體在不同電勢(shì)以及酸堿性條件下相對(duì)于水系電解液的穩(wěn)定性，并作出Pourbaix圖，同時(shí)指出氧化物材料的穩(wěn)定性通常優(yōu)于硫化物/鹵化物材料，堿金屬類型同樣會(huì)影響材料相對(duì)于環(huán)境的穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法，如何得到鋰離子通道？

具有高的鋰離子電導(dǎo)率是無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)材料的首要要求，而連通的鋰離子通道是高電導(dǎo)率的先決條件。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)手段而言，鋰離子通道可以通過中子衍射直接得到。

對(duì)于理論研究而言，可以通過基于能量變化的第一性原理，基于配位環(huán)境變化的鍵價(jià)方法(bondvalencemethod,BVM)，以及基于幾何結(jié)構(gòu)的Voroni-Dirichlet分割、Colony表面、Procrystal分析等方法計(jì)算。

陳立泉院士團(tuán)隊(duì)進(jìn)展簡(jiǎn)介

中國(guó)科學(xué)院物理研究所陳立泉院士課題組從國(guó)際衍射數(shù)據(jù)中心(InternationalCentreforDiffractionData,ICDD)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得材料的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，從中提取含鋰、無(wú)重金屬、無(wú)變價(jià)元素的材料作為備選數(shù)據(jù)庫(kù)利用BVM計(jì)算其離子通道。

Candidatestructuresforinorganiclithiumsolid-stateelectrolytesidentifiedbyhigh-throughputbond-valencecalculations.JournalofMateriomics

篩選過程見上圖，將鋰離子通道連通的材料作為固體電解質(zhì)候選材料，并對(duì)目標(biāo)材料進(jìn)行第一性原理計(jì)算研究。

High-throughputdesignandoptimizationoffastlithiumionconductorsbythecombinationofbond-valencemethodanddensityfunctionaltheory.SciRep.

該課題組采用改進(jìn)的方法，將鍵價(jià)參數(shù)用Morse勢(shì)與靜電庫(kù)侖勢(shì)表示，得到使離子通道連通的活化能，與密度泛函理論(densityfunctionaltheory,DFT)計(jì)算值比較（見上圖）。

常見鋰離子無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)材料的精確計(jì)算

電解質(zhì)材料位于正負(fù)極材料之間，起到輸運(yùn)離子、隔絕電子的作用。因此，以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，對(duì)于無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)材料的計(jì)算研究大多集中在高電導(dǎo)率材料的成分/組分優(yōu)化、擴(kuò)散系數(shù)、輸運(yùn)機(jī)制，以及相對(duì)于電極材料以及環(huán)境的穩(wěn)定性等方面。

由于快離子導(dǎo)體中常常有過量的鋰離子可占據(jù)位置，因此建立無(wú)序的結(jié)構(gòu)模型通常是理論計(jì)算的難點(diǎn)之一。無(wú)序常常會(huì)有助于鋰離子的協(xié)同躍遷，這需要采用原子尺度的計(jì)算方法來(lái)闡明其中的輸運(yùn)機(jī)理。

下面分別就常見的固體電解質(zhì)材料簡(jiǎn)述其部分計(jì)算的研究進(jìn)展。

Goodenough

Goodenough和Hong提出高電導(dǎo)率NASICON(NaSuperIonicCONductor)型鋰離子無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)材料LiM2(PO4)3，其中MO6八面體和PO4四面體組成共價(jià)的[M1M2P3O12]-骨架，導(dǎo)電鋰離子分布在骨架中形成三維的鋰離子通道。鋰離子存在的兩種占位類型A1和A2，純相中A1位占滿而A2位留空，低價(jià)摻雜可以使A2位部分占據(jù)。

ConradR.Stoldt

ConradR.Stoldt將第一性原理計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，對(duì)不同占據(jù)模式導(dǎo)致的熵變進(jìn)行了討論（見下圖）。

EnergeticsofiontransportinNasicon-typeelectrolytes.JournalofPhysicalChemistryC

豐富的摻雜取代，使NASICON結(jié)構(gòu)成為研究化學(xué)摻雜-晶體結(jié)構(gòu)-導(dǎo)電性能關(guān)系的典型范例之一，其中Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3具有最高的電導(dǎo)率。然而，由于載流子濃度和遷移率的提高在實(shí)驗(yàn)上很難區(qū)分，該摻雜使電導(dǎo)率提高的機(jī)理并不明確。

HenryY.P.Hong

1978年，HenryY.P.Hong提出同樣具有三維離子通道的LISICON(LiSuperIonicCONductor)結(jié)構(gòu)，Li14Zn(GeO4)4，并可擴(kuò)展為γ-Li3PO4體系(xLi4MIVO4—(1-x)Li3MVO4；MIV=Ge，Ti；MV=As，V)，該體系僅在有限的濃度(x=0.4～0.6)和溫度范圍內(nèi)可以形成固溶體純相。第一性原理方法主要用于計(jì)算周期性結(jié)構(gòu)，對(duì)于該固溶體體系通常需要擴(kuò)展晶胞以滿足計(jì)量比要求，且該體系鋰離子擴(kuò)散過程中復(fù)雜的化學(xué)環(huán)境和多種輸運(yùn)機(jī)制給計(jì)算帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

IsaoTanaka

IsaoTanaka利用團(tuán)簇展開法建立較寬范圍的固溶體組分模型，確定有序—無(wú)序相轉(zhuǎn)變溫度以及多種摻雜/取代組分三元相圖，并利用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了高溫鋰離子電導(dǎo)率（見下圖）；

Acceleratedmaterialsdesignoflithiumsuperionicconductorsbasedonfirst-principlescalculationsandmachinelearningalgorithms.AdvEnergyMater

隨后結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法預(yù)測(cè)各個(gè)組分100℃的電導(dǎo)率，并系統(tǒng)地對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行組成與電導(dǎo)率優(yōu)化。然而，對(duì)于該體系的組分調(diào)控是有限的，且理論最大電導(dǎo)率仍不超過10-3S/cm。

RyojiKanno提出硫代LISICON結(jié)構(gòu)(thio-LISICON)具有比氧系更高的電導(dǎo)率。

（DOI:10.1149/1.1379028）

Alithiumsuperionicconductor.NatMater

其在NatureMaterials的一篇文章報(bào)道了Li10GeP2S12，其室溫鋰離子電導(dǎo)率可高達(dá)10-2S/cm，并結(jié)合第一性原理計(jì)算確定其晶體結(jié)構(gòu)（見上圖）。其四面體4d位的P/Ge分?jǐn)?shù)占據(jù)為建模帶來(lái)難度。

硫代γ-Li3PO4體系及其相應(yīng)納米結(jié)構(gòu)

LiangChengdu在一篇JACS中指出β-Li3PS4是高電導(dǎo)率相；

（DOI：10.1021/ja3110895）

JohnS.Tse利用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算了β-Li3PS4和γ-Li3PS4的擴(kuò)散系數(shù)，認(rèn)為前者更高的電導(dǎo)率來(lái)源于本征的鋰空位，而具有更多缺陷位的納米團(tuán)簇中鋰離子遷移率更高。

（DOI：10.1016/j.commatsci.2015.05.022）

KojiOhara利用密度泛函理論和可逆蒙特卡洛方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析二元Li2S-P2S5玻璃體系的相組分、局域結(jié)構(gòu)以及電子結(jié)構(gòu)，認(rèn)為可通過調(diào)節(jié)PSx和LiSx多面體共享邊的結(jié)構(gòu)以及降低電子在P和橋接S之間的轉(zhuǎn)移，來(lái)提高體系的電導(dǎo)率。

（DOI：10.1038/srep21302）

鈣鈦礦型固態(tài)電解質(zhì)

1953年，TetsuhiroKatsumata合成Li0.5La0.5TiO3鈣鈦礦型固體電解質(zhì)。

（DOI：10.1016/0167-2738(96)00116-6）

1993年，陳立泉院士等發(fā)現(xiàn)Li0.33La0.56TiO3具有最高的電導(dǎo)率，然而由于O的電子2p軌道具有不對(duì)稱性，實(shí)驗(yàn)中常發(fā)現(xiàn)二維的鋰離子通道。

（DOI：0.1016/0038-1098(93)90841-A）

NakayamaMasanobu結(jié)合團(tuán)簇展開、蒙特卡洛方法和第一性原理計(jì)算，得到La和空位與溫度相關(guān)的排列方式。

（DOI：10.2109/jcersj2.117.911）

MicheleCatti根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立各個(gè)組分相應(yīng)的空間群模型，通過靜電勢(shì)分布推測(cè)鋰離子最可能的占據(jù)位置或通過基態(tài)能計(jì)算確定最穩(wěn)定Li-La-空位分布。

（DOI：10.1021/cm0709469）

TakahisaOhno通過分析鋰離子擴(kuò)散能面中能谷的構(gòu)型特征，預(yù)測(cè)鋰離子分布方式以及對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)通道。

（DOI：10.1149/2.008306eel）

R.W.Grimes和J.A.Kilner創(chuàng)新地利用遺傳算法(geneticalgorithm)，使子構(gòu)型不斷繼承高離子電導(dǎo)率局域序結(jié)構(gòu)的“父體(富La層)”和“母體(貧La層)”的“基因”，最終“繁衍”出高電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)。

（DOI:10.1039/C4CP04834B）

以上結(jié)構(gòu)模型建立后，鋰離子輸運(yùn)機(jī)制的研究就順理成章，其與Li/La/空位組分以及層內(nèi)/層間序結(jié)構(gòu)均有很大關(guān)系。然而，該類材料總電導(dǎo)率限制因素常歸因于過高的晶界電阻。

石榴石(Garnet)結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)

2003年WernerJ.F.Wep發(fā)現(xiàn)石榴石(Garnet)結(jié)構(gòu)Li5La3M2O12(M=Ta，Nb)具有較高的離子電導(dǎo)率和較寬的電化學(xué)窗口，且因其相對(duì)于金屬Li穩(wěn)定而受到關(guān)注。

（DOI:10.1111/j.1151-2916.2003.tb03318.x）

2007年RamaswamyMurugan等發(fā)現(xiàn)Li7La3Zr2O12，室溫離子電導(dǎo)率超過10-4S/cm。石榴石通式為A32+B23+(SiO4)3，“stuffed”的鋰占據(jù)方式為該體系實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)之一。

（DOI：10.1002/anie.200701144）

Localstructureanddynamicsoflithiumgarnetionicconductors:AmodelmaterialLi5La3Ta2O12,ChemMater

WeiLai利用逆向蒙特卡洛法和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法，以Li5La3Ta2O12為例研究鋰的局域結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)分布（見上圖）。

StefanAdams和KhangHoang分別以Li7La3Zr2O12為例，利用鍵價(jià)方法、分子動(dòng)力學(xué)和第一性原理計(jì)算等方法，研究其鋰離子分布以及溫度相關(guān)的相變。實(shí)驗(yàn)表明Li含量在6.5左右時(shí)四方相—立方相轉(zhuǎn)變溫度較低，且室溫電導(dǎo)率可高達(dá)10-3S/cm。

（DOI：10.1039/C1JM14588F、DOI：10.1103/PhysRevLett.109.205702）

KhangHoang同時(shí)解釋相變機(jī)理：四方相中鋰離子有序分布，立方相中鋰離子無(wú)序分布，相變伴隨著鋰的重新分布和晶格向高對(duì)稱性扭曲；引入鋰空位可以增加構(gòu)型熵，緩解立方相無(wú)序化帶來(lái)的能量增加，導(dǎo)致更低的四方—立方相轉(zhuǎn)變溫度。

（DOI：10.1103/PhysRevLett.109.205702）

KyeongjaeChoab通過第一性原理計(jì)算，認(rèn)為鋰空位缺陷生成能較低，或許可以帶來(lái)額外的非化學(xué)計(jì)量比空位。四面體的Li是否參與鋰離子輸運(yùn)在實(shí)驗(yàn)研究中被長(zhǎng)期爭(zhēng)論。

（DOI：10.1016/j.ssi.2014.04.021）

MinSikPark利用第一性原理計(jì)算研究了立方相不同鋰含量石榴石結(jié)構(gòu)LixLa3M2O12(x=3，5，7；M=Te，Nb，Zr)的鋰離子占據(jù)方式和躍遷勢(shì)壘（見上圖）。

根據(jù)不同含量的鋰離子配位推測(cè)可知：x=3，鋰離子傾向于占據(jù)四面體位，基本不可躍遷；x=5，八面體位鋰離子傾向于繞過四面體鋰占據(jù)位躍遷，勢(shì)壘約為0.8eV；x=7，鋰離子傾向于經(jīng)過四面體空位在八面體之間躍遷，勢(shì)壘約為0.3eV；實(shí)際活化能為不同躍遷方式的幾率平均。

（DOI：10.1103/PhysRevB.85.052301）

為了優(yōu)化電導(dǎo)率，Ceder團(tuán)隊(duì)計(jì)算不同摻雜后證實(shí)，增加晶胞參數(shù)不會(huì)顯著提高電導(dǎo)率，減小晶胞參數(shù)會(huì)快速降低電導(dǎo)率，且鋰離子電導(dǎo)率與空位和鋰的濃度均相關(guān)（見上圖）。

（DOI：10.1021/cm401232r）

因此，異價(jià)摻雜使得鋰離子與四面體/八面體鋰空位濃度適中并保持立方結(jié)構(gòu)，是優(yōu)化電導(dǎo)率的方向。

富鋰反鈣鈦礦材料

2012年，趙予生在JACS發(fā)文報(bào)道了基于鈣鈦礦ABX3結(jié)構(gòu)，用一價(jià)陽(yáng)離子Li+占據(jù)X位得到富鋰材料，并用-1價(jià)的鹵族元素和-2價(jià)的O分別來(lái)替代A位和B位。

Superionicconductivityinlithium-richantiperovskites.JAmChemSoc

此時(shí)材料中元素的電性與傳統(tǒng)鈣鈦礦材料相反，且具有高鋰離子濃度，因此稱之為“富鋰的反鈣鈦礦材料”(Lithium-richanti-perovskites,LiRAP)，其中Li3OCl0.5Br0.5具有該體系最高的室溫電導(dǎo)率(6.05×10-3S/cm)。

Rationalcompositionoptimizationofthelithium-richLi3OCl1-xBrxanti-perovskitesuperionicconductors.ChemMater

ShyuePingOng根據(jù)不同鹵化物局域環(huán)境的鋰離子躍遷勢(shì)壘建立鍵滲流模型，認(rèn)為0.235≤x≤0.395時(shí)Li3OCl1-xBrx具有更高的電導(dǎo)率，并利用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)證實(shí)Li3OCl0.75Br0.25擴(kuò)散系數(shù)高于Li3OCl0.5Br0.5。計(jì)算表明反鈣鈦礦是亞穩(wěn)態(tài)，0K時(shí)單相Li3OA(A=Cl，Br)相對(duì)于混合相Li2O和LiA能量更高，但是可以通過提高溫度超過550K獲得。

AntonVanderVen通過計(jì)算聲子譜發(fā)現(xiàn)Li3OCl力學(xué)不穩(wěn)定，Li6O八面體的傾斜將降低整體能量，但當(dāng)溫度超過480K時(shí)振動(dòng)熵可以穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)。

（DOI：10.1103/PhysRevB.91.214306）

ChangfengChen利用第一性原理的分子動(dòng)力學(xué)方法，認(rèn)為當(dāng)材料存在鋰空位時(shí)可以在熔點(diǎn)以下獲得超離子相變(亞晶格融化)。材料遵循空位躍遷，活化能為0.3~0.4eV。

（DOI：10.1103/PhysRevB.87.134303）

CarlosWilliamA.Paschoal則用經(jīng)典原子準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算，推斷材料中的主要缺陷為L(zhǎng)iCl肖脫基缺陷對(duì)，鋰空位的遷移勢(shì)壘約為0.3eV。由于電荷補(bǔ)償機(jī)制，肖脫基缺陷可以提高間隙鋰缺陷濃度，推填子機(jī)制躍遷時(shí)勢(shì)壘約為0.1eV。

（DOI：10.1021/cm503717e）

關(guān)于該材料的電化學(xué)窗口，亦有一定爭(zhēng)議性：

ChangfengChen算得電化學(xué)窗口接近5eV；

（DOI：10.1103/PhysRevB.87.134303）

M.H.Braga算出電子能隙為6.44eV，130℃的循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)表明實(shí)際穩(wěn)定范圍超過8V；

（DOI:10.1039/C3TA15087A）

AntonVanderVen通過計(jì)算鋰化學(xué)勢(shì)-組分相圖發(fā)現(xiàn)，雖然Li3OCl具有超過5eV的帶隙，然而當(dāng)對(duì)其施加2.5V偏壓時(shí)，反鈣鈦礦材料傾向于分解為L(zhǎng)i2O2、LiCl和LiClO4。

（DOI:10.1021/cm4016222）

小結(jié)與展望

鋰離子無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)材料的應(yīng)用有希望提高鋰(離子)電池的安全性和能量密度，但獲取可以和有機(jī)液體電解質(zhì)電導(dǎo)率(>1mS/cm)比擬的材料依舊是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

利用材料基因組的思想將計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，有希望提高無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)材料的研發(fā)和優(yōu)化速度，以滿足應(yīng)用需求，包括高的電導(dǎo)率、良好的機(jī)械性能、對(duì)環(huán)境以及正負(fù)極的穩(wěn)定性等。

從材料的篩選與設(shè)計(jì)方面，新型高性能材料仍有待于進(jìn)一步的研究和探索。從特定材料的機(jī)理研究方面，快離子導(dǎo)體具有無(wú)序性與載流子協(xié)同輸運(yùn)的特征，其所涉及的關(guān)鍵物理問題可能更為復(fù)雜，仍然缺乏深入的認(rèn)識(shí)，例如無(wú)序的晶體結(jié)構(gòu)模型、快離子導(dǎo)體的相變機(jī)制、協(xié)同運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)制、載流子與骨架離子/載流子與電子之間的相互作用以及晶體結(jié)構(gòu)與高電導(dǎo)率之間的構(gòu)效關(guān)系等等，而第一性原理計(jì)算與分子動(dòng)力學(xué)模擬提供了微觀機(jī)理研究的有力工具。

對(duì)于全固態(tài)電池而言，界面電阻常常是問題的關(guān)鍵，實(shí)際界面不僅要考慮復(fù)雜的空間電荷層，而且還需要考慮互擴(kuò)散導(dǎo)致的有限固溶體組分、由于晶格匹配造成的應(yīng)力、界面形貌/分形與納米結(jié)構(gòu)等復(fù)雜的問題，這不僅包括長(zhǎng)期以來(lái)有關(guān)納米/團(tuán)簇計(jì)算的挑戰(zhàn)，也涉及實(shí)際充放電中由動(dòng)力學(xué)控制的結(jié)構(gòu)演化/熱力學(xué)非平衡過程，需要從多時(shí)間-空間尺度來(lái)綜合考慮。