揭示非晶固態電解質內高電導滲流通道的存在和形成根源

一、【導讀】

近日，由武漢理工大學、上海光機所和丹麥奧爾堡大學組建的聯合團隊，利用先進固態核磁共振等表征手段，揭示了非晶固態電解質內高電導滲流通道的存在和形成機制。相關研究成果以“Percolative Channels for Superionic Conducting in an Amorphous Conductor”為題發表在國際期刊《The Journal of Physical Chemistry Letters》上。

二、【成果掠影】

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.2c02776

三、【核心創新點】

固態電解質是下一代全固態電池的核心材料，固態電解質的應用將解決目前商業電池由于液態電解質存在的易燃、易泄露的問題，從而形成高安全、長壽命的新一代電池，因此固態電解質是科學家們關注和研究的熱點。但是，目前大部分固態電解質面臨離子電導率和化學穩定性不可兼得的問題，嚴重阻礙了其應用。

聯合團隊通過高能球磨法制備了一類新型固態電解質材料，發現其具有極高的離子電導率和化學穩定性，通過解析該系列固態電解質隨組分的微觀結構演變，發現了其中滲流通道的形成以及離子電導性能大幅提升的機理，具體發現如下：

1) 利用高能球磨技術制備出了AgI含量可達0%~80%摩爾分數范圍內的xAg·(1-x)Ag₃PS₄非晶態離子導體。隨AgI含量增加之臨界門檻后，離子電導率呈指數快速提升，最高達1.1×10^-2 S/cm，電導性能媲美商業液態電解質，并且具有極好的化學穩定性；

2)?通過¹⁰⁹Ag、³¹P固態NMR表征，以及³¹P-³¹P偶極-偶極相互作用測試，探明了xAg·(1-x)Ag₃PS₄非晶態離子導體中存在AgI和Ag₃PS₄團簇，并通過核磁共振偶極-偶極作用的測量，估算出Ag₃PS₄團簇（≤4nm）的大小。

3)?結合結構表征與性能解析，發現了xAg·(1-x)Ag₃PS₄非晶態離子導體中存在高離子電導相（非晶AgI相）構成的滲流離子通道，隨著組分的演變，該離子滲流通道逐漸形成并引起了材料整體離子電導率的快速提升。

四、【數據概覽】

圖1.?xAg·(1-x)Ag₃PS₄非晶固態電解質離子電導性能隨組分的演變及滲流通道的形成

五、【成果啟示】

團隊憑借先進固態NMR表征與分析手段，首次揭示了AgI基非晶固態電解質中存在的納米團簇結構，探明了離子導電滲流通道的存在和形成機理。該工作通過揭示固態電解質微觀結構與離子導電性能的關聯關系，為設計和開發高離子電導、高穩定的全固態電池提供了重要理論基礎。