Origin of the Structural Phase Transition inLi7La3Zr2O12

四方晶系 材料科学 相变 电导率 离子 离子电导率 相(物质) 掺杂剂 空位缺陷 兴奋剂 热力学 电解质 结晶学 晶体结构 凝聚态物理 物理化学 物理 化学 电极 量子力学 光电子学
作者
Noam Bernstein,M. D. Johannes,Khang Hoang
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:109 (20): 205702-205702 被引量:251
标识
DOI:10.1103/physrevlett.109.205702
摘要

Garnet-type Li(7)La(3)Zr(2)O(12) is a solid electrolyte material for Li-ion battery applications with a low-conductivity tetragonal and a high-conductivity cubic phase. Using density-functional theory and variable cell shape molecular dynamics simulations, we show that the tetragonal phase stability is dependent on a simultaneous ordering of the Li ions on the Li sublattice and a volume-preserving tetragonal distortion that relieves internal structural strain. Supervalent doping introduces vacancies into the Li sublattice, increasing the overall entropy and reducing the free energy gain from ordering, eventually stabilizing the cubic phase. We show that the critical temperature for cubic phase stability is lowered as Li vacancy concentration (dopant level) is raised and that an activated hop of Li ions from one crystallographic site to another always accompanies the transition. By identifying the relevant mechanism and critical concentrations for achieving the high conductivity phase, this work shows how targeted synthesis could be used to improve electrolytic performance.
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