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Anharmonic Phonon Scattering Triggering Multi-ion Migration in Oxide-Based Superionic Conductors

化学 非谐性 快离子导体 声子 散射 离子 声子散射 导电体 氧化物 凝聚态物理 化学物理 物理化学 量子力学 物理 电解质 电极 有机化学
作者
Jae-Bum Kim,Chihun Kim,Woojin Chung,Da Hye Yoon,Lulu Lyu,Jeongmin Jang,Hee Jun Shin,Kyung‐Wan Nam,Byungju Lee,Yong‐Mook Kang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (37): 33743-33753
标识
DOI:10.1021/jacs.5c09777
摘要

The thermodynamic equilibrium assumption often invoked in modeling ion migration in solid-state materials remains insufficient to capture the true migration behavior of Li ions, particularly in less-crystalline superionic conductors that exhibit anomalously high Li ion conductivity. Such materials challenge classical frameworks and necessitate a lattice dynamics-based perspective that explicitly accounts for nonequilibrium phonon interactions and transient structural responses. Here, we uncover a phonon-governed Li ion migration mechanism in garnet-structured superionic conductors by comparing Ta-doped Li6.6La3Zr1.6Ta0.4O12 (LLZTO4) to its undoped analogue, Li6.24La3Zr2Al0.24O11.98 (LLZO). Through a synergistic combination of terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS), 7Li magic-angle spinning nuclear magnetic resonance (MAS-NMR), and Raman spectroscopy, we show that Ta doping softens the host lattice and enhances anharmonic phonons, enabling collective, thereby multi-ion migration beyond the limit of single-ion hopping models. This lattice softening induces a dynamically disordered energy landscape that lowers activation barriers and yields Li ion conductivities approaching those of liquid electrolytes. Our findings demonstrate that anharmonic lattice vibrations can serve as the driving force for ultrafast Li ion migration in solid electrolytes. This paradigm shift establishes a fundamental link between lattice thermodynamics and superionic conduction, providing a conceptual and experimental framework for the design of highly conductive solid-state electrolytes.
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