固态电池是极具前景的下一代电池技术，固态电解质是其核心组成部分。许多固态电解质由阴离子基团骨架和可快速迁移的锂、钠离子构成。长期以来，阴离子转动是否会促进阳离子迁移存在争议，其定量贡献也缺乏直接证据。其难点在于，阴离子转动通常伴随晶体相变，传统实验和普通分子动力学很难将其影响分离。此外，阴离子平移和振动对阳离子迁移的潜在驱动作用也常常被忽视。

针对这一问题，李辉教授团队将自主开发的约束算法与机器学习分子动力学模拟相结合，量化了塑性晶体中阴离子基团平动、转动和振动分别对离子电导率的贡献，研究体系涵盖硼氢化物、反钙钛矿和硫代磷酸盐（图1）。结果表明，转动总是增强离子输运，证明长期争议的“桨轮效应”确实普遍存在；同时，阴离子平动和振动的贡献在部分材料中超过转动，表明它们同样可以主导输运。

图1.六种材料的电导率：无约束（红色）、转动约束（蓝色）、转动-平动约束（紫色）和转动-平动-振动约束（黄色）.

为解释阴离子转动在不同材料中的作用差异，研究团队提取了阴离子转动频率。六种材料的阴离子重取向频率跨越约五个数量级（图2d）。当阴离子重取向频率与阳离子跳跃频率相匹配时，转动主导阳离子输运（图2f）；其余材料中两者相差至少两个数量级，当转动频率远高于或远低于阳离子跳跃频率时，则分别由阴离子平动或振动主导传导。

图2.阴离子转动动力学：a–c极角演化.d转子重取向频率.e重取向能垒. f重取向频率和跳跃频率.

研究团队还重点分析了硼氢化物。在LiBH₄中，约束BH₄⁻平动后，Li⁺的位点分裂则完全消失（图3a-b），非谐性程度降低；增强采样计算进一步显示，约束BH₄⁻转动仅使Li⁺迁移势垒升高约0.03 eV，而进一步约束平动会使势垒升高约0.5 eV（图3c），说明BH₄⁻平动通过降低迁移势垒和增强非谐性来促进Li⁺输运（图3d）。在Na₂B₁₀H₁₀中，无约束条件下约20%的Na⁺占据Oh位点，其余分布于Td位点（图3e）；约束B₁₀H₁₀²⁻转动后，Oh位点占比降至约0.1%。这表明阴离子转动能够诱导阳离子在不同晶体学位点间的无序，从而促进超离子传导。

图3.阴离子动力学对阳离子迁移能垒和位点占有率的影响.

该研究定量揭示了多原子阴离子不同运动模式与阳离子输运之间的动态耦合关系，证实了桨轮效应的普遍存在，更明确了“桨轮效应”发挥主导作用的条件。这要求研究者超越对转动的单一关注，以更广阔的视角审视阳离子—阴离子耦合，为通过调控阴离子–阳离子动态耦合促进离子输运提供了新的思路。

相关研究成果以“Disentangling cation–polyanion coupling reveals which anion motion dominates cation transport in solid electrolytes”为题，发表在Nature Communications上 （DOI: 10.1038/s41467-026-77273-x）。娱乐城 博士研究生李珂为文章第一作者，娱乐城 、理论化学研究所和超分子结构与材料全国重点实验室李辉教授为文章通讯作者。

论文链接：//www.nature.com/articles/s41467-026-77273-x