Structure and Stoichiometry in Supervalent Doped Li7La3Zr2O12

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作者
Saikat Mukhopadhyay,Travis Thompson,Jeff Sakamoto,Ashfia Huq,J. Wolfenstine,Jan L. Allen,Noam Bernstein,Derek A. Stewart,M. D. Johannes
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:27 (10): 3658-3665 被引量:117
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.5b00362
摘要

The oxide garnet material Li7La3Zr2O12 shows remarkably high ionic conductivity when doped with supervalent ions that are charge compensated by Li vacancies and is currently one of the best candidates for development of a technologically relevant solid electrolyte. Determination of optimal dopant concentration, however, has remained a persistent problem due to the extreme difficulty of establishing the actual (as compared to nominal) stoichiometry of intentionally doped materials and by the fact that it is still not entirely clear what level of lattice expansion/contraction best promotes ionic diffusion. By combining careful synthesis, neutron diffraction, high-resolution X-ray diffraction (XRD), Raman measurements, and density functional theory calculations, we show that structure and stoichiometry are intimately related such that the former can in many cases be used as a gauge of the latter. We show that different Li-vacancy creating supervalent ions (Al3+ vs Ta5+) affect the structure very differently, both in terms of the lattice constant, which is easily measurable, and in terms of the local structure, which can be difficult or impossible to access experimentally but may have important ramifications for conduction. We carefully correlate the lattice constant to dopant type/concentration via Vegard’s law and then further correlate these quantities to relevant local structural parameters. Our work opens the possibility of developing a codopant scheme that optimizes the Li vacancy concentration and the lattice size simultaneously.
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