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Enhancement of Ionic Conductivity in NASICON‐Structured Li3(Zr,Ti)2(Si,Ge)2PO12: An Ab Initio Study

快离子导体 离子电导率 材料科学 离子键合 从头算 电导率 从头算量子化学方法 物理化学 化学 离子 电解质 分子 有机化学 电极
作者
Jiaqi Wang,Weirong Huo,Zhiwei Peng,Zhong‐Qun Tian,Shafiq ur Réhman,Zongwei Mei,Yinghua Niu,Weiqiang Lv
出处
期刊:Advanced sustainable systems [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adsu.202401028
摘要

Abstract The development of solid electrolytes with high ionic conductivity is crucial for advancing solid lithium‐ion battery technology but is still a challenge. In this study, the ionic conductivity of NASICON‐structured materials Li 3 (Zr,Ti) 2 (Si,Ge) 2 PO 12 are explored through ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations. This investigation reveals the significant impact of isovalent substitution on the lithium‐ion diffusion pathways and the associated energy barriers. Elemental substitutions, such as replacing Zr with Ti, significantly reduce the Li site energy levels, enhance the polyhedral volume, and change the coordination structure from four‐coordinate to five‐coordinate, thereby facilitating lithium‐ion migration. Conversely, substituting Si with Ge reduces the diffusion channel size and increases fluctuation of Li migration potential surface, leading to less favorable ion transport conditions. Li 3 Ti 2 Si 2 PO 12 exhibits a room temperature ionic conductivity of 5.79 × 10 −2 Scm −1 , 163% higher than that of the pristine Li 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , with a reduced diffusion barrier of 0.16 eV. Additionally, these analyses reveal that the critical size for effective diffusion channels is vital: below this threshold, ion migration is suppressed; while above it, the channel size no longer limits migration.
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