Insight into Ion Diffusion Dynamics/Mechanisms and Electronic Structure of Highly Conductive Sodium-Rich Na3+xLaxZr2–xSi2PO12 (0 ≤ x ≤ 0.5) Solid-State Electrolytes

快离子导体 离子电导率 材料科学 离子键合 离子 电解质 化学物理 无机化学 电导率 分析化学(期刊) 物理化学 化学 色谱法 电极 有机化学
作者
Fei Sun,Yuxuan Xiang,Qian Sun,Guiming Zhong,Mohammad Norouzi Banis,Weihan Li,Yulong Liu,Jing Luo,Ruying Li,Riqiang Fu,Tsun‐Kong Sham,Yong Yang,Xuhui Sun,Xueliang Sun
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (11): 13132-13138 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acsami.0c21882
摘要

Solid-state electrolytes (SSEs) have attracted considerable attention as an alternative for liquid electrolytes to improve safety and durability. Sodium Super Ionic CONductor (NASICON)-type SSEs, typically Na3Zr2Si2PO12, have shown great promise because of their high ionic conductivity and low thermal expansivity. Doping La into the NASICON structure can further elevate the ionic conductivity by an order of magnitude to several mS/cm. However, the underlying mechanism of ionic transportation enhancement has not yet been fully disclosed. Herein, we fabricate a series of Na3+xLaxZr2–xSi2PO12 (0 ≤ x ≤ 0.5) SSEs. The electronic and local structures of constituent elements are studied via synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy, and the ionic dynamics and Na-ion conduction mechanism are investigated by solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy. The results prove that La3+ ions exist in the form of phosphate impurities such as Na3La(PO4)2 instead of occupying the Zr4+ site. As a result, the increased Si/P ratio in the NASICON phase, accompanied by an increase in the sodium ion occupancy, makes a major contribution to the enhancement of ionic conductivity. The spin–lattice relaxation time study confirms the accelerated Na+ motions in the altered NASICON phase. Modifications on the Si/P composition can be a promising strategy to enhance the ionic conductivity of NASICON.

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