揭示非晶固态电解质内高电导渗流通道的存在和形成根源

一、【导读】

近日，由武汉理工大学、上海光机所和丹麦奥尔堡大学组建的联合团队，利用先进固态核磁共振等表征手段，揭示了非晶固态电解质内高电导渗流通道的存在和形成机制。相关研究成果以“Percolative Channels for Superionic Conducting in an Amorphous Conductor”为题发表在国际期刊《The Journal of Physical Chemistry Letters》上。

二、【成果掠影】

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.2c02776

三、【核心创新点】

固态电解质是下一代全固态电池的核心材料，固态电解质的应用将解决目前商业电池由于液态电解质存在的易燃、易泄露的问题，从而形成高安全、长寿命的新一代电池，因此固态电解质是科学家们关注和研究的热点。但是，目前大部分固态电解质面临离子电导率和化学稳定性不可兼得的问题，严重阻碍了其应用。

联合团队通过高能球磨法制备了一类新型固态电解质材料，发现其具有极高的离子电导率和化学稳定性，通过解析该系列固态电解质随组分的微观结构演变，发现了其中渗流通道的形成以及离子电导性能大幅提升的机理，具体发现如下：

1) 利用高能球磨技术制备出了AgI含量可达0%~80%摩尔分数范围内的xAg·(1-x)Ag₃PS₄非晶态离子导体。随AgI含量增加之临界门槛后，离子电导率呈指数快速提升，最高达1.1×10^-2 S/cm，电导性能媲美商业液态电解质，并且具有极好的化学稳定性；

2) 通过¹⁰⁹Ag、³¹P固态NMR表征，以及³¹P-³¹P偶极-偶极相互作用测试，探明了xAg·(1-x)Ag₃PS₄非晶态离子导体中存在AgI和Ag₃PS₄团簇，并通过核磁共振偶极-偶极作用的测量，估算出Ag₃PS₄团簇（≤4nm）的大小。

3) 结合结构表征与性能解析，发现了xAg·(1-x)Ag₃PS₄非晶态离子导体中存在高离子电导相（非晶AgI相）构成的渗流离子通道，随着组分的演变，该离子渗流通道逐渐形成并引起了材料整体离子电导率的快速提升。

四、【数据概览】

图1. xAg·(1-x)Ag₃PS₄非晶固态电解质离子电导性能随组分的演变及渗流通道的形成

五、【成果启示】

团队凭借先进固态NMR表征与分析手段，首次揭示了AgI基非晶固态电解质中存在的纳米团簇结构，探明了离子导电渗流通道的存在和形成机理。该工作通过揭示固态电解质微观结构与离子导电性能的关联关系，为设计和开发高离子电导、高稳定的全固态电池提供了重要理论基础。