《快離子導體Li10GeP2S12結構與離子導電機理的核磁共振研究》是依託中國科學院精密測量科學與技術創新研究院，由馮繼文擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：快離子導體Li10GeP2S12結構與離子導電機理的核磁共振研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：馮繼文
- 依託單位：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
超離子導體Li10GeP2S12是目前室溫電導率最高的固體電解質。其結構特徵為典型的一維Li 離子通道結構、且一維通道具有較高的空位濃度。除此之外，還可能存在連線一維通道的其它導電途徑，從而形成導電的三維網路。本研究的目的是以超離子導體Li10GeP2S12作為模型化合物來研究與超離子導電性有關的結構要素和所涉及的一些重要的基本物理問題。首先，改進和發展直接測量離子對擴散的相關函式的NMR方法。在此基礎上 研究一維通道中離子擴散性質：完全無規的離子擴散或協同離子遷移的基本規律和NMR特徵，如繩索型（string-like）。探索一維導電到三維導電度越的可能途徑和規律：通過骨架Li位點滲流通道；通過骨架間隙位點通道；陽離子遷移與陰離子集團的轉動偶合（paddle-wheel模型）。為材料的改性以及設計和開發新一代高性能固體電解質提供依據。
結題摘要
超離子導體Li10GeP2S12是目前室溫電導率最高的固體電解質。其結構特徵為典型的一維Li 離子通道結構、且一維通道具有較高的空位濃度。除此之外，還可能存在連線一維通道的其它導電途徑，從而形成導電的三維網路。然而，前期的實驗研究揭示該材料的導電僅呈現弱的各向異性，與理論上的預期不符。本研究的目的是以超離子導體Li10GeP2S12（LGPS）作為模型化合物，以及元素替代及組分調整的系列LGPS化合物為研究對象，通過多種6,7Li，31P 固體NMR技術，結合XRD，交流阻抗等方法對這類材料的結構和導電性能之間的關係，以及微觀Li離子擴散機理等進行了深入研究。（1）我們首次從實驗上觀察到Li10GeP2S12的兩個離子傳導過程，低溫區域，鋰離子表現沿c軸的一維導電行為，而在257 K以上，通過Li(4)位點的離子跳躍被激活，Li離子沿ab面的二維導電通道開啟，高溫區域表現出各向異性的三維導電行為。兩種導電過程的表觀活化能分別對應為0.16 eV及0.26 eV。我們首次從實驗上確定了在高溫過程中參與ab面導電的是Li(4)位點而非Li(2)位點。（2）我們發現採用Sn替代Ge，得到的Li10SnP2S12（LSnPS）和LGPS導電行為類似，具有兩個導電過程：低溫時鋰離子沿一維通道擴散，270 K以上時，平面內導電開啟，Li離子按照三維導電模式運動，活化能分別為0.18 eV和0.13 eV。但高溫運動區域中，LSnPS主要依賴一維通道內鋰離子的擴散進行導電。（3）合成了一系列Li4x+3yGexPyS4(x+y)材料，我們發現x:y在1:1.4到1.3:1之間可以很容易得到純的tetragonal相，這些樣品電導率大約在mS/cm量級。對具有非常穩定相行為的Li7.8Ge1.2PS8.8樣品進行動力學研究，我們發現了三個離子運動的過程，分別對應於低溫、高溫和超高溫運動區域。Li離子在低溫和高溫運動區域的行為跟Li10GeP2S12的非常類似，低溫範圍內Li離子表現為沿c軸的一維擴散行為，高溫下鋰離子表現為各向異性的三維傳導模式，活化能分別對應為0.19 eV和0.28 eV。為材料的改性以及設計和開發新一代高性能固體電解質提供依據。
