纳米尺度的lgp以增强锂离子电导率

在最近的一项研究发表在杂志上ACS材亚博网站下载料信,研究人员分析了裁员的影响锂超离子导体,李₁₀《全球经济展望》₂年代₁₂(lgp)单晶固态电解质在锂离子扩散(李)电导率将降至个位数纳米(纳米)大小(即。,2 - 10海里)。

研究:纳米级的设计方法对提高Li10GeP2S12固态电解质的锂离子电导率。图片来源:petrmalinak / Shutterstock.com

lgp最小粒度为2.15纳米,即。,平均10 nm的体积³女士,表现出最高的电导率值的15.10厘米⁻¹300 K,高于此前取得最大值的女士12厘米⁻¹在相同的温度。离子扩散电导率增加背后的主要原因是由于一维锂离子传导机制的转变成一个三维的机制与减少尺寸,特别是低于100海里。

lgp固态锂离子电池的电解液

自从发现lgp固体电解质Kamaya等人2011年,固态锂离子电池(LiBs)引起了巨大的关注由于其高能量密度和相关安全在存储和运输。12厘米女士的锂离子电导率⁻¹在室温下明显高于许多液体electrolyte-based填词。如此高的电导率的因素是它的3 d框架带负电(GeS组成的晶体结构₄)⁴⁻和(PS₄)³⁻四面体,带正电的锂离子在对应的四面体和八面体协调。

此外,一些研究显示减少晶界或硫化物和氧化物固体电解质界面阻力导致增强的金属离子运输。例如,纳米多孔_3.25P_0.95年代₄晶体平均粒径减少80 - 100 nm ~ 5 nm展品在锂离子电导率显著改善。类似地,Li-argyrodite粒度~ 20 nm的固态电解质也展示了重要的锂离子电导率。基于一个类似的概念,纳米晶体lgp降低界面阻力可能促进一个3 d锂离子扩散传导机制,允许晶间离子扩散。

关于这项研究

在这项研究中,研究人员使用分子动力学(MD)模拟分析的电导性能lgp单晶裁员后2 - 10纳米。仿真进行三个水晶细胞~ 100000离子组成的,每一个都有不同的粒子体积的100和1000海里³,10纳秒的时间步1 fs和300 - 700 K的温度范围内。

锂离子的自扩散数据从一个三向位移均方(MSD)分析使用Nernst-Einstein方程转化为相应的电导率值。修改后的莫尔斯势在lgp用于分析Ge-S交互,原子电荷是使用巴德分析评估。

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观察

lgp纳米晶体的裁员导致缩短锂离子扩散路径沿法线方向(即。,主要方向在大型lgp单晶)的lgp四面体和降低界面阻力,促进晶间扩散在其他两个方向。这三向各向同性导电机制增强锂离子电导率女士15.10厘米⁻¹为至少10纳米的粒子体积³在300 K。此外,这个电导率值几乎是三倍大的单晶系统电导率值为5.87厘米。女士⁻¹。的激活能量之间的所有三个粒子量0.21 - -0.24 eV。

此外,离子电导率有直接关联的表面积lgp由于存在高浓度的表面缺陷和微应变。本地化cation-cation障碍和减少Li-S协调由于减少粒子体积也促进了增强锂离子电导率。

结论

总之,这项研究的研究人员分析了裁员的影响的单晶尺寸lgp固态电解质在锂离子扩散的潜在的增强导电性固态填词。MD模拟模型演示了电导率值最高的15.10厘米的女士⁻¹最小的粒子体积10纳米³在300,高于12厘米女士以前记录的价值⁻¹甚至高于很多液体electrolyte-based填词。

电导率的增加是由于两个因素导致由于裁员lgp粒度。,形成三向各向同性离子传导路径,局部离子紊乱,以及由此导致的减少Li-S协调。这一发现开辟了一个新的研究领域对高性能固态电解质在纳米级别。

源

道森,J。伊斯兰教,M。纳米级的设计方法,提高Li10GeP2S12固态电解质的锂离子电导率,ACS材亚博网站下载料信2022 4 424 - 431,https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs亚博网站下载materialslett.1c00766

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