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電池女王Linda F. Nazar,最新JACS!

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第一作者:Baltej Singh, Yubo Wang
通訊作者:Linda F. Nazar
通訊單位:滑鐵盧大學
論文速覽
了解鋰離子傳輸是合理設計具有優(yōu)異離子電導率的超離子固態(tài)電解質(zhì)的關鍵。
本文深入探討了LiNbOCl4(LNOC)這一新型軟氧鹵化物固態(tài)電解質(zhì)的高鋰離子導電性。通過X射線/中子衍射、對分布函數(shù)分析與密度泛函理論/從頭算分子動力學(AIMD)的結(jié)合應用,揭示了實驗觀察到的高導電性的結(jié)構基礎。
研究發(fā)現(xiàn),這種高導電性源于室溫下異常高的框架靈活性,這主要歸因于孤立的一維[NbOCl4]?陰離子鏈,它們展現(xiàn)出能量上有利的取向無序性,并且與晶格中多個無序且等能量的Li+位點相關聯(lián)。
Li離子在三維能量景觀中的快速預測擴散系數(shù)為5.1 × 10?7 cm2/s(計算得到的導電性σicalc?= 17.4 mS·cm?1),無機聚合物鏈可以重定向或反之。在300 K的AIMD模擬中可以看出,NbO2Cl4八面體的彈性性質(zhì)顯著降低了Li遷移的活化能壘,這從Cl?Nb?Cl鍵角的廣泛分散中得到證實。
此外,框架靈活性在相對較低的體模量22.7 GPa中也得到反映。這些發(fā)現(xiàn)為未來“flex-ion”無機固態(tài)的探索以及為全固態(tài)電池設計高導電性、軟固態(tài)電解質(zhì)的新方向鋪平了道路。
圖文導讀
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圖1:不同合成條件下制備的LiNbOCl4的XRD圖譜比較,以及在-65°C下通過EIS測量得到的Nyquist圖,說明了材料的導電性。
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圖2:LiNbOCl4的局域結(jié)構和晶格參數(shù)。
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圖3:提供了LiNbOCl4的局部結(jié)構模型。
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圖4:Cc結(jié)構的動力學穩(wěn)定性。
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圖5:LiNbOCl4中Li離子的多個位點,BVSE計算的Li遷移路徑,以及DFT計算的不同Li位點的晶格參數(shù)和相對能量。
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圖6:Li離子在不同位點之間的快速交換。
總結(jié)展望
本研究通過綜合實驗和理論計算,成功揭示了LiNbOCl4軟氧鹵化物固態(tài)電解質(zhì)中高離子導電性的內(nèi)在機制。研究結(jié)果表明,該材料的高導電性主要來源于其獨特的一維[NbOCl4]?陰離子鏈結(jié)構和Li離子在晶格中的高靈活性。
這種結(jié)構特征為設計新型高導電性固態(tài)電解質(zhì)提供了新的思路和方向。未來,研究者可以基于這些發(fā)現(xiàn),進一步探索和開發(fā)具有類似“flex-ion”框架結(jié)構的新型無機固態(tài)電解質(zhì),以滿足全固態(tài)電池對高能量密度和安全性的需求。
文獻信息
標題:Critical Role of Framework Flexibility and Disorder in Driving High Ionic Conductivity in LiNbOCl4
期刊:Journal of the American Chemical Society
DOI:10.1021/jacs.4c03142

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