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【AIMD+實(shí)驗(yàn)】室溫下實(shí)現(xiàn)超高鈉離子電導(dǎo)率

研究背景

由于鋰資源日益稀缺，固態(tài)鈉離子電池（SSSB）因其可持續(xù)的組成、高理論能量密度和固有的安全優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。然而，固態(tài)鈉離子電池（SSSB）的發(fā)展對(duì)超離子鈉離子導(dǎo)體（SSC）提出了嚴(yán)格的要求，包括室溫（RT）下的高離子電導(dǎo)率（＞ 1 mS cm^-1）、用于優(yōu)異變形能力的緊密固–固接觸以及與電極材料的優(yōu)異界面穩(wěn)定性，然而目前沒有單一SSC同時(shí)滿足所有這些要求。固態(tài)鈉離子電池（SSSB）的發(fā)展在很大程度上取決于具有高導(dǎo)電性、（電）化學(xué)穩(wěn)定性和可變形性的Na⁺導(dǎo)體（SSC）的發(fā)展。

非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供了一種有前途的方法，以不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式全面提高這些性能。在這里，我們利用高和低配位鹵化物框架之間的結(jié)構(gòu)差異，開發(fā)一類新的鹵化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)電解質(zhì)（HSEs）。鹵化物HSE結(jié)合了UCl₃型高配位框架和無定形低配位相，實(shí)現(xiàn)了迄今為止鹵化物SSC中最高的Na⁺電導(dǎo)率（室溫下為2.7 mS cm^-1）。通過辨別晶體本體、非晶區(qū)域和界面的單獨(dú)貢獻(xiàn)，我們解開了鹵化物HSEs內(nèi)的協(xié)同離子傳導(dǎo)，并對(duì)非晶化效應(yīng)提供了全面的解釋。更重要的是，HSEs出色的可變形性、高壓穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性使SSSB能夠有效集成。采用未包覆的Na_0.85Mn_0.5Ni_0.4Fe_0.1O₂與HSE復(fù)合的冷壓負(fù)極材料，SSSB在0.2℃下循環(huán)100次，容量保持率為91.0%。

成果簡(jiǎn)介

本文利用高和低配位鹵化物框架之間的結(jié)構(gòu)差異，開發(fā)一類新的鹵化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)電解質(zhì)（HSEs）。鹵化物HSE結(jié)合了UCl₃型高配位框架和無定形低配位相，實(shí)現(xiàn)了迄今為止鹵化物SSC中最高的Na⁺電導(dǎo)率（室溫下為2.7 mS cm^-1）。通過辨別晶體本體、非晶區(qū)域和界面的單獨(dú)作用，解開了鹵化物HSEs內(nèi)的協(xié)同離子傳導(dǎo)，并對(duì)非晶化效應(yīng)提供了全面的解釋。更重要的是，HSEs出色的可變形性、高壓穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性使SSSB能夠有效集成。作者采用未包覆的Na_0.85Mn_0.5Ni_0.4Fe_0.1O₂與HSE復(fù)合的冷壓負(fù)極材料，SSSB在0.2℃下循環(huán)100次，容量保持率為91.0%。通過X射線衍射（XRD）、電子對(duì)分布函數(shù)（PDF）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）表征了HSEs的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過結(jié)合從頭算分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）模擬與低溫電化學(xué)阻抗擬合，作者研究了結(jié)晶體，非晶區(qū)，和界面離子電導(dǎo)率的作用。這是迄今為止報(bào)道的鹵化物SSC的最高值之一。在這類鹵化物HSEs的擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行了研究，揭示了不同的貢獻(xiàn)結(jié)晶體，非晶區(qū)，以及它們之間的異質(zhì)界面。此外，SSCs和陰極材料之間的界面反應(yīng)的理論研究揭示了不同的界面產(chǎn)物的選擇的SSCs或陰極材料。HSE中的組件是通用的，允許針對(duì)不同陰極材料的可調(diào)CEI設(shè)計(jì)。由于多相鹵化物復(fù)合SSC的綜合優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)高性能SSSB的理想選擇。

研究成果以“Halide Heterogeneous Structure Boosting Ionic Diffusion and High-Voltage Stability of Sodium Superionic Conductors”為題,于2023年10月17日發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。第一作者為加拿大西安大略大學(xué)的Jiamin Fu。

圖文導(dǎo)讀

【AIMD+實(shí)驗(yàn)】室溫下實(shí)現(xiàn)超高鈉離子電導(dǎo)率

圖1 HCF-Sm/La、LCF-Ta及其異質(zhì)復(fù)合材料?；谕捷椛涞?/span>X射線衍射圖（λ = 0.3497?）和（a）Na_0.75Sm_1.75Cl₆（HCF-Sm）、（b）Na_0.75La_1.75Cl₆（HCF-La）和（c）NaTaCl₆（LCF-Ta）的Rietveld修正。（d）UCl3型Na_0.75M_1.75Cl₆(M = La，Sm)的晶體結(jié)構(gòu)。（e）NaTaCl₆的晶體結(jié)構(gòu)。（f-g）HCF-La、HCF-Sm、LCF-Ta及其復(fù)合物（1-x）[HCF-Sm]·x[LCF-Ta]和（1-x）[HCF-La]·x [LCF-Ta]的X射線衍射圖（λ = 1.5406?，Cu K_α）。（h）LCF-Ta、0.62[HCF-Sm]·0.38[LCF-Ta]和0.57[HCF-La]·0.43[LCF-Ta]的Arrhenius圖。（i）（1-x）[HCF-Sm]·x[LCF-Ta]和（j）（1-x）[HCF-La]·x[LCF-Ta]在25 °C下的離子電導(dǎo)率。（k）采用不同的LCF，HSE的離子電導(dǎo)率分別為0.62[HCF-Sm]·0.38LCF和0.57[HCF-La]·0.43LCF。

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圖2 結(jié)晶–非晶異質(zhì)結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的離子電導(dǎo)率。（a）LCF-Ta、HCF-La、HCF-Sm的高分辨X射線衍射圖（λ = 0.3497?）和（b）對(duì)分布函數(shù)（λ = 0.1905?）分別為0.62[HCF-Sm]·0.38[LCF-Ta]和0.57[HCF-La]·0.43[LCF-Ta]。（c）用箱式擬合法擬合出LCFTa的質(zhì)量比分別為0.62[HCF-Sm]·0.38[LCF-Ta]和0.57[HCF-La]·0.43[LCF-Ta]對(duì)r_max。（d-e）從0.62[HCF-Sm]·0.38[LCF-Ta]的顆粒邊緣拍攝的HRTEM圖像。（f）在-70 ℃下的交流阻抗圖為0.62[HCFSm]·0.38[LCF-Ta]。（g）非均相鹵化物復(fù)合材料的示意圖。

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圖3 LCF-Ta的非晶化效應(yīng)。（a）原始LCF-Ta，（b）1200 K淬火后的LCF-Ta，和（c）2000 K猝火后的LCF-Ta的結(jié)構(gòu)。下圖是700 K下AIMD模擬中的Na⁺概率密度（用黃色等值面標(biāo)記）。（d）晶體中Na⁺擴(kuò)散與非晶化LCF-Ta的示意圖。（e）晶體LCF-Ta、1200 K淬火后的LCF-Ta和2000 K淬火后的LCF-Ta的Na⁺電導(dǎo)率的阿倫尼烏斯圖。

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圖4?非晶LCF-Ta中的局部畸變。計(jì)算的LCF-Ta的（a）Ta-Cl距離和（b）Ta-Ta距離的徑向分布函數(shù)。（c）LCF-Ta中Ta-Cl八面體的連續(xù)對(duì)稱性測(cè)量。（d）R空間中Ta L3邊緣EXAFS的傅立葉變換，具有LCF-Ta、0.62[HCF-Sm]·0.38[LCF-Ta]和0.57[HCF-La]·0.43[LCF-Ta]的k2加權(quán)。（e-f）鍵角與多重散射強(qiáng)度關(guān)系示意圖。（g）LCF-Ta的k空間中的Ta L3邊EXAFS區(qū)域?yàn)?/span>0.62[HCF-Sm]·0.38[LCF-Ta]和0.57[HCF-La]·0.43[LCF-Ta]。（h）LCF-Ta和（i）0.62[HCFSm]·0.38[LCF-Ta]的k2加權(quán)EXAFS數(shù)據(jù)的小波變換。

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圖5 電化學(xué)穩(wěn)定性和電池性能。（a）不同固體電解質(zhì)穩(wěn)定電化學(xué)窗口的計(jì)算。（b）固體電解質(zhì)與正極材料在鈉化和脫鈉狀態(tài)下分解能的熱力學(xué)計(jì)算。（c）其中使用0.62[HCF-Sm]·0.38[LCF-Ta]、0.57[HCF-La]·0.43[LCF-Ta]或Na₃PS₄作為陰極電解液的電池在室溫和0.1C（1C=120 mAh g^-1）下的第一次充電/放電曲線。（d-e）在室溫下，以0.62[HCF-Sm]·0.38[LCF-Ta]和0.57[HCF-La]·0.43[LCF-Ta]為陰極電解液的電池的倍率性能。（f）（e）中電池在不同電流密度下的充電/放電曲線。（g）在2.3-4 V與Na⁺/Na，0.2 C，25℃。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202308012

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