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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(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

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(jié)構和晶格參數(shù)。

圖3：提供了LiNbOCl₄的局部結(jié)構模型。

圖4：Cc結(jié)構的動力學穩(wěn)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(shù)和相對能量。

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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