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?孟穎等人Matter:具有增強鈉離子電導率的非晶和納米晶鹵化物固體電解質

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固態(tài)電池是一種新興的儲能技術,有望提高安全性、提高能量密度和延長循環(huán)壽命。然而,固態(tài)電解質是決定固態(tài)電池電化學性能的關鍵成分,尤其是在室溫下。
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在此,美國加州大學圣地亞哥分校孟穎、Jihyun Jang等人報道了一系列具有增強離子導電性的納米晶體和無定形氯化物固態(tài)電解質,其組成為Na2.25-xY0.25Zr0.75Cl6-x(1.375≤x≤2.000)。作者采用X射線衍射、透射電子顯微鏡、固態(tài)核磁共振波譜和電化學阻抗波譜來研究成分、結構和電導率之間的關系。
結果表明,缺乏NaCl的組合物可以形成納米晶相和非晶相。此外,還觀察到棱柱狀Na+局部環(huán)境的優(yōu)選占據(jù)以及這些環(huán)境之間的快速交換。這些因素共同作用可降低Na+遷移的活化能,增加離子電導率,并在室溫條件下,在更高的循環(huán)倍率下改善電化學性能。
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圖1. 鈉局部環(huán)境和離子電導率測量
總之,該工作提出了一種開發(fā)具有納米晶和非晶特性的高導電性Na+導體的替代方法。該方法將Na2.25-xY0.25Zr0.75Cl6-x化合物的NaCl組成調整為固定的Y/Zr比例,同時利用機械化學合成控制長程和局部結構。此外,降低NaCl含量與機械化學合成相結合,導致樣品形成納米晶或非晶態(tài)。這將缺陷和自由體積引入系統(tǒng),有助于提高Na+遷移率。低NaCl含量的組合物的離子電導率的增加導致Na-ASSB具有優(yōu)異的性能。
重要的是,對x = 1.625和x = 2.000組分的加熱會導致Na在結構的棱柱體和八面體中重新分布,從而導致Na+遷移率下降。這一發(fā)現(xiàn)進一步強調了控制樣品結晶度和Na局部環(huán)境分布的重要性,表明小晶粒尺寸和棱鏡環(huán)境之間的快速Na+跳躍是這類材料獲得高導電性的關鍵。因此,該項工作提供了納米晶體和非晶氯化物的組成、結構和電導率關系的見解。
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圖2. 納米晶和非晶SEs的電化學性能
Amorphous and nanocrystalline halide solid electrolytes with enhanced sodium-ion conductivity, Matter 2024 DOI: 10.1016/j.matt.2023.12.028

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