电子设备需要电池，汽车飞机也需要强大的电池。可惜，锂电池却碰到了技术瓶颈。许多企业正在研究固态电池，它是人类的希望。但固态电池有一个很大的难题没有解决，也就是“枝晶难题”。

近年来，镧系-钛氧簇-聚合物复合材料作为一种新型材料，引起了广泛的关注和研究。这种复合材料的独特性质和潜在应用使其成为科学界的热点。镧系金属是一类重要的稀土元素，在化学和材料领域具有广泛的应用价值。而钛氧簇则是由钛和氧原子组成的团簇结构，具有高度稳定性和可调控的晶体结构。将镧系金属和钛氧簇结合到聚合物基质中，可以制备出具有多种功能的复合材料。

镧系元素是什么？

镧系元素（rare earth elements），别名稀土元素，用REE表示，指元素周期表中第57号元素镧到71号元素镥15种元素的统称，这些元素化学性质相似。镧系元素在地壳中分布分散，难以提取、分离，原子序数为偶数的元素一般比相邻原子序数为奇数的的元素含量高。镧（lan）系元素（lanthanide element）包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥，它们都是稀土元素的成员。前四种锕系元素锕、钍、镤、铀存在于自然界。镎至铹11种锕系元素则全部用人工核反应合成（镎、钚在含铀矿物中也有发现，但其量极微），合成的方式有在反应堆或核爆炸中辐照重元素靶及在加速器上用带电粒子轰击重元素靶等。

按照原子核外的电子能级，元素周期表第七周期内锕以后的元素逐次充填5f内层电子，直到充满14个5f内层电子为止。由于原子的最外层电子构型基本相同,只在5f内层更迭电子,所以这些元素组成了自成系列的锕系元素。基于此种设想的锕系理论是由美国核化学家G.T.西博格于1944年提出的。根据这个理论，锕系最后一个元素为第103号元素，而第104号元素预计不属于锕系而属于第Ⅳ副族。超铀元素的成功合成及对其化学性质的研究，尤其是第104号元素的发现,都证实了锕系理论的正确。

稀土元素并不稀少，但在地壳中分布分散，彼此性质相似，难以提取、分离。原子序数为偶数的元素一般比相邻原子序数为奇数的的元素的含量高 。

镧系金属为银白色，较软，有延展性。活泼性仅次于碱金属和碱土金属，应隔绝空气保存。金属活泼性顺序由Sc、Y、La递增；由La到Lu递减，既La最活泼。镧系金属密度随原子序数增加，从La到Lu逐渐增加。但Eu和Yb的密度较小。镧系金属是强还原剂，其还原能力仅次于Mg，其反应性可与铝比。而且随着原子序数的增加，还原能力呈逐渐减弱的趋势。在酸性溶液中La2+离子为强还原剂，La4+离子为强氧化剂。

镧系元素应用极为广泛。化学工业上主要用作催化剂。例如混合镧系元素的氯化物和磷酸盐用作催化剂，以加速石油的裂化分解。混合稀土氧化物广泛用作玻璃抛光材料和玻璃的脱色剂，还可用来制造耐辐射玻璃和激光玻璃。用三氧化二钇和三氧化二镝可制得耐高温透明陶瓷，这种陶瓷被用于火箭、激光、电真空等技术工程上。此外，电视工业中大量使用的荧光粉为某些希土化合物，此荧光粉用于制造电视荧光屏。

中科大研发镧系新型固态电解质

近日，中国科学技术大学姚宏斌课题组、李震宇课题组与浙江工业大学陶新永课题组合作，设计开发出镧系金属卤化物基固态电解质新家族LixMyLnzCl3(Ln为镧系金属元素，M为非镧系金属元素)。得益于镧系金属元素的低电负性，以及金属氯化物良好的耐氧化性和可变形性，镧系金属卤化物基固态电解质可直接与锂金属负极和三元正极匹配，实现无任何电极修饰且室温可运行的全固态锂金属电池。相关研究成果以《A LaCl3-based lithium superionic conductor compatible with Li metal》为题，于4月5日发表在Nature杂志上。

目前报道的大多数LixMCl6金属卤化物固态电解质采用易被还原的金属元素构建传导框架，导致对锂金属不稳定，只能采用高电位的锂铟合金，限制了高能量密度全固态锂金属电池的开发。同时，传统的LixMCl6晶格中氯离子是六方或立方紧密堆积，其空间体积较小，对锂离子的传导有一定限制，使其电导率大多在1 mS/cm。因此，开发对锂金属负极稳定的新型快离子导体框架结构是发展高比能全固态锂金属电池面临的关键挑战。

针对以上问题，团队成员发现，以LaCl3为代表的镧系金属卤化物LnCl3（Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm等）晶格中氯离子呈非紧密堆积形式，天然存在丰富的一维大尺寸孔道，适合锂离子的高速传输，并可通过镧空位形成连续的三维传导。分子动力学的模拟预测表明，具有独特非密堆积氯离子排列方式的LaCl3框架可实现13.8 mS cm-1的室温离子电导率。

团队成员选择高价离子掺杂策略来制造镧空位，得益于大尺寸高速离子通道和相邻通道间超强的交换作用，优化的Li0.388Ta0.438La0.475Cl3表现出3.02 mS cm-1的高室温离子电导率和0.197 eV的低活化能，优于传统氧化物和最近报道的卤化物固态电解质，可与部分硫化物电解质相媲美。

新发现有助开发高比能全固态锂电池

课题组设计开发出的镧系金属卤化物基固态电解质新家族，实现了无任何电极修饰且室温可运行的全固态锂金属电池。

金属卤化物固态电解质因其宽电化学窗口、良好的室温电导率和不错的可变形性，展现出比氧化物/硫化物固态电解质更好的高电压氧化物正极适配性。研究人员发现，镧系金属卤化物晶格中氯离子呈非紧密堆积形式，天然存在丰富的一维大尺寸孔道，适合锂离子的高速传输，并可通过镧空位形成连续的三维传导。

基于该项新发现，研究人员组装的全固态锂金属原型电池无须负极垫层和正极包覆等额外的常用界面稳定手段，即可实现室温下百圈以上的循环。

此外，研究人员还发现，镧系金属卤化物可容纳大量异种非镧系金属元素，且在此状态下仍能保持快离子传输的晶型结构特征。这一性质赋予了镧系金属卤化物框架极强的可拓展性。未来通过合理的元素设计，镧系金属卤化物固态电解质有望具备实现更高界面稳定性、更快离子传导和更廉价原料成本的巨大潜力，将成为一个全新的电解质家族。