【文章信息】
高离子导钪掺杂NASICON型固态电解质的离子传输机理
第一作者：孙飞、向宇轩
通讯作者：孙学良*、杨勇*、孙旭辉、Tsun-Kong Sham
单位：苏州大学，加拿大西安大略大学，厦门大学
【研究背景】
使用固态电解质替代液态电解质已经成为非常紧迫及具有挑战性的研究话题。在钠离子电池研究中，NASICON型氧化物由于其高离子导电率和低膨胀率成为最具潜力的固态电解质之一。
目前通过元素掺杂提高NASICON离子导电率是最为普遍及有效的方法。经研究，通过少量镧，锌，钪等元素掺杂均可将其离子电导率提高至10-3 S/cm。但对其提高后离子传输机理的研究却很有限。
本篇基于同步辐射吸收谱及固态核磁共振等测试分析手段，深入研究了钪掺杂后固态电解质中钠离子的传输机制。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速进一步提高无机固态电解质离子导电率的研究及实际应用。
【文章简介】
近日，来自加拿大西安大略大学的孙学良教授、Tsun-Kong Sham教授与厦门大学的杨勇教授及苏州大学的孙旭辉教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Origin of High Ionic Conductivity of Sc-Doped Sodium-Rich NASICON Solid-State Electrolytes”的观点文章。
该观点文章证明通过少量钪掺杂可将NASICON型钠离子固态电解质的离子电导率提高至10-3 S/cm，并且通过同步辐射吸收谱及固态核磁共振等测试分析手段，深入研究了钪掺杂后固态电解质中钠离子的传输机制。
【本文要点】
要点一：在NASICON结构材料中，少量钪掺杂能够有效提高该固态电解质的离子导电率，伴随着掺杂量的增加，材料离子导电率先升高后降低，常温下离子导电率最高可达约2×10-3 S/cm，其100 ℃ 条件下高达1.1×10-2 S/cm. 相比未掺杂的原NASICON固态电解质，离子导电率提高了一个数量级，为实际应用提供了有利性能条件。
图1. 钪掺杂NASICON固态电解质在不同掺杂量，不同温度下的离子导电率
要点二：结合同步辐射吸收谱，XRD等表征分析，掺杂钪元素能够成功进入NASICON材料结构中，取代部分Zr元素。继而使得单位晶格中钠离子总数增加，晶格参数发生变化。钠离子数及晶格参数变化均对材料中离子运动产生影响。
图2. 钪掺杂NASICON固态电解质在不同掺杂量下的各元素同步辐射吸收谱。
要点三：本文通过固态核磁共振测试分析，深入研究了钪掺杂后固态电解质中钠离子的动力学及传输机制。实验分析表明，改性后的固态电解质结构中，钠离子计量数发生变化，且钠离子在不同位点的重新分布对离子运动产生了显著影响。
在晶体结构中，Na2位点的离子运动速度小于Na1及Na3位点，所以Na2位点的离子运动成为材料整体结构中离子运动的瓶颈，Na2位点的离子运动速度决定了整体离子导水平。伴随着钪掺杂量的增加，Na2位点的离子数量逐渐增加，提升了Na2位点离子的迁移数量和运动速度，继而提高了整体离子导电率。
随后掺杂量增加到一定程度，Na2位点离子数逐渐下降，并且材料中开始出现杂质，因此电解质的离子导电率也随之降低。所以，钪掺杂后的钠离子在不同位点的重新分布是该固态电解质离子导电率变化的主要原因。
图3. 钪掺杂NASICON固态电解质在不同掺杂量下钠离子在不同位点的迁移速度及数量变化。
【文章链接】
“Origin of High Ionic Conductivity of Sc-Doped Sodium-Rich NASICON Solid-State Electrolytes”
https://doi.org/10.1002/adfm.202102129
原文刊载于【科学材料站】公众号
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