Coordination-Disorder Engineering of Amorphous Halide Superionic Conductors for Long-Cycle All-Solid-State Sodium Batteries

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作者
Meng Wu,Xiang Qi,Lei Peng,Wanqing Ren,Yang Li,Hong Liu,Jianrong Zeng,Lei Gao,Ce‐Wen Nan,Li-Zhen Fan
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (40): 35740-35751 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c12051
摘要

Sodium superionic conductors are critical enablers for advancing energy density and operational safety in next-generation sodium-ion batteries. While conventional crystalline sodium-halide-based electrolytes have demonstrated promising electrochemical stability, their ionic conductivity has been fundamentally constrained by reliance on vacancy-mediated transport mechanisms inherent to ordered crystalline frameworks. Here, we present a cation engineering strategy that induces structural coordination disorder to develop amorphous chloride conductors (A2–xM1–xTaxCl6 and NaNb1–xTaxCl6; A = Li/Na, M = Zr/Hf; 0 < x < 1), achieving ionic conductivities surpassing 10–3 S cm–1 at ambient conditions. The optimized Na1.4Zr0.4Ta0.6Cl6 composition exhibits room-temperature conductivity of 1.95 × 10–3 S cm–1 at 25 °C, coupled with enhanced oxidative stability (>4.0 V) and mechanical robustness enabled by its disordered configuration and broadened ion migration channels. Implementation in all-solid-state sodium cells with Na3V2(PO4)3 cathodes demonstrates good rate performance and long-cycling stability (86% after 1000 cycles under 0.5 C). This work establishes amorphous-phase engineering through cation substitution as a transformative paradigm for designing sodium superionic conductors beyond the limitations of crystalline frameworks.
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