Atomistic Characterisation of Li+ Mobility and Conductivity in Li7−xPS6−xIx Argyrodites from Molecular Dynamics Simulations, Solid‐State NMR, and Impedance Spectroscopy

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作者
Oliver Pecher,Shiao‐Tong Kong,Thorsten A. Goebel,Vera Nickel,K. Weichert,Christof Reiner,Hans‐Jörg Deiseroth,Joachim Maier,Frank Haarmann,Dirk Zahn
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:16 (28): 8347-8354 被引量:82
标识
DOI:10.1002/chem.201000501
摘要

Abstract The atomistic mechanisms of Li + ion mobility/conductivity in Li 7− x PS 6− x I x argyrodites are explored from both experimental and theoretical viewpoints. Ionic conductivity in the title compound is associated with a solid–solid phase transition, which was characterised by low‐temperature differential scanning calorimetry, 7 Li and 127 I NMR investigations, impedance measurements and molecular dynamics simulations. The NMR signals of both isotopes are dominated by anisotropic interactions at low temperatures. A significant narrowing of the NMR signal indicates a motional averaging of the anisotropic interactions above 177±2 K. The activation energy to ionic conductivity was assessed from both impedance spectroscopy and molecular dynamics simulations. The latter revealed that a series of interstitial sites become accessible to the Li + ions, whilst the remaining ions stay at their respective sites in the argyrodite lattice. The interstitial positions each correspond to the centres of tetrahedra of S/I atoms, and differ only in terms of their common corners, edges, or faces with adjacent PS 4 tetrahedra. From connectivity analyses and free‐energy rankings, a specific tetrahedron is identified as the key restriction to ionic conductivity, and is clearly differentiated from local mobility, which follows a different mechanism with much lower activation energy. Interpolation of the lattice parameters as derived from X‐ray diffraction experiments indicates a homogeneity range for Li 7− x PS 6− x I x with 0.97≤ x ≤1.00. Within this range, molecular dynamics simulations predict Li + conductivity at ambient conditions to vary considerably.
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