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Atomistic Insight into Ion Transport and Conductivity in Ga/Al-Substituted Li7La3Zr2O12 Solid Electrolytes

材料科学 离子 电解质 电导率 快离子导体 结晶学 无机化学 物理化学 化学 电极 有机化学
作者
Fabián A. García Daza,Mauricio R. Bonilla,Anna Llordés,Javier Carrasco,Elena Akhmatskaya
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (1): 753-765 被引量:49
标识
DOI:10.1021/acsami.8b17217
摘要

Garnet-structured Li7La3Zr2O12 is a promising solid electrolyte for next-generation solid-state Li batteries. However, sufficiently fast Li-ion mobility required for battery applications only emerges at high temperatures, upon a phase transition to cubic structure. A well-known strategy to stabilize the cubic phase at room temperature relies on aliovalent substitution; in particular, the substitution of Li+ by Al3+ and Ga3+ ions. Yet, despite having the same formal charge, Ga3+ substitution yields higher conductivities (10-3 S/cm) than Al3+ (10-4 S/cm). The reason of such difference in ionic conductivity remains a mystery. Here, we use molecular dynamic simulations and advanced sampling techniques to precisely unveil the atomistic origin of this phenomenon. Our results show that Li+ vacancies generated by Al3+ and Ga3+ substitution remain adjacent to Ga3+ and Al3+ ions, without contributing to the promotion of Li+ mobility. However, while Ga3+ ions tend to allow limited Li+ diffusion within their immediate surroundings, the less repulsive interactions associated with Al3+ ions lead to a complete blockage of neighboring Li+ diffusion paths. This effect is magnified at lower temperatures and explains the higher conductivities observed for Ga-substituted systems. Overall, this study provides a valuable insight into the fundamental ion transport mechanism in the bulk of Ga/Al-substituted Li7La3Zr2O12 and paves the way for rationalizing aliovalent substitution design strategies for enhancing ionic transport in these materials.
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