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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異離子電導率的超離子固態電解質的關鍵。

本文深入探討了LiNbOCl₄（LNOC）這一新型軟氧鹵化物固態電解質的高鋰離子導電性。通過X射線/中子衍射、對分布函數分析與密度泛函理論/從頭算分子動力學（AIMD）的結合應用，揭示了實驗觀察到的高導電性的結構基礎。

研究發現，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。

Li離子在三維能量景觀中的快速預測擴散系數為5.1 × 10^?7 cm²/s（計算得到的導電性σi^calc?= 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。這些發現為未來“flex-ion”無機固態的探索以及為全固態電池設計高導電性、軟固態電解質的新方向鋪平了道路。

圖文導讀

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測量得到的Nyquist圖，說明了材料的導電性。

圖2：LiNbOCl₄的局域結構和晶格參數。

圖3：提供了LiNbOCl₄的局部結構模型。

圖4：Cc結構的動力學穩定性。

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位點的晶格參數和相對能量。

圖6：Li離子在不同位點之間的快速交換。

總結展望

本研究通過綜合實驗和理論計算，成功揭示了LiNbOCl₄軟氧鹵化物固態電解質中高離子導電性的內在機制。研究結果表明，該材料的高導電性主要來源于其獨特的一維[NbOCl₄]?陰離子鏈結構和Li離子在晶格中的高靈活性。

這種結構特征為設計新型高導電性固態電解質提供了新的思路和方向。未來，研究者可以基于這些發現，進一步探索和開發具有類似“flex-ion”框架結構的新型無機固態電解質，以滿足全固態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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