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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(xué)

論文速覽

了解鋰離子傳輸是合理設(shè)計(jì)具有優(yōu)異離子電導(dǎo)率的超離子固態(tài)電解質(zhì)的關(guān)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(dǎo)電性。通過X射線/中子衍射、對(duì)分布函數(shù)分析與密度泛函理論/從頭算分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）的結(jié)合應(yīng)用，揭示了實(shí)驗(yàn)觀察到的高導(dǎo)電性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

研究發(fā)現(xiàn)，這種高導(dǎo)電性源于室溫下異常高的框架靈活性，這主要?dú)w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(gè)無序且等能量的Li⁺位點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。

Li離子在三維能量景觀中的快速預(yù)測(cè)擴(kuò)散系數(shù)為5.1 × 10^?7 cm²/s（計(jì)算得到的導(dǎo)電性σi^calc?= 17.4 mS·cm^?1），無機(jī)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(shí)。

此外，框架靈活性在相對(duì)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(jī)固態(tài)的探索以及為全固態(tài)電池設(shè)計(jì)高導(dǎo)電性、軟固態(tài)電解質(zhì)的新方向鋪平了道路。

圖文導(dǎo)讀

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(cè)量得到的Nyquist圖，說明了材料的導(dǎo)電性。

圖2：LiNbOCl₄的局域結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。

圖3：提供了LiNbOCl₄的局部結(jié)構(gòu)模型。

圖4：Cc結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。

圖5：LiNbOCl₄中Li離子的多個(gè)位點(diǎn)，BVSE計(jì)算的Li遷移路徑，以及DFT計(jì)算的不同Li位點(diǎn)的晶格參數(shù)和相對(duì)能量。

圖6：Li離子在不同位點(diǎn)之間的快速交換。

總結(jié)展望

本研究通過綜合實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，成功揭示了LiNbOCl₄軟氧鹵化物固態(tài)電解質(zhì)中高離子導(dǎo)電性的內(nèi)在機(jī)制。研究結(jié)果表明，該材料的高導(dǎo)電性主要來源于其獨(dú)特的一維[NbOCl₄]?陰離子鏈結(jié)構(gòu)和Li離子在晶格中的高靈活性。

這種結(jié)構(gòu)特征為設(shè)計(jì)新型高導(dǎo)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(jìn)一步探索和開發(fā)具有類似“flex-ion”框架結(jié)構(gòu)的新型無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，以滿足全固態(tài)電池對(duì)高能量密度和安全性的需求。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)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

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/06/18/cfffafbee8/

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