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Modular M PS 3 -Based Frameworks for Superionic Conduction of Monovalent and Multivalent Ions

化学 离子 锂(药物) 热传导 电池(电) 模块化设计 固态 纳米技术 物理化学 热力学 物理 操作系统 计算机科学 功率(物理) 内分泌学 有机化学 材料科学 医学
作者
Zachery W. B. Iton,Zion Irving-Singh,Son‐Jong Hwang,Amit Bhattacharya,Sammy Shaker,Tridip Das,Raphaële J. Clément,William A. Goddard,Kimberly A. See
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (35): 24398-24414 被引量:9
标识
DOI:10.1021/jacs.4c06263
摘要

Next-generation batteries based on more sustainable working ions could offer improved performance, safety, and capacity over lithium-ion batteries while also decreasing the cost. Development of next-generation battery technology using "beyond-Li" mobile ions, especially multivalent ions, is limited due to a lack of understanding of solid state conduction of these ions. Here, we introduce ligand-coordinated ions in MPS3-based (M = Mn, Cd) solid host crystals to simultaneously increase the size of the interlayer spacing, through which the ions can migrate, and screen the charge-dense ions. The ligand-assisted conduction mechanism enables ambient temperature superionic conductivity of various next-generation mobile ions in the electronically insulating MPS3-based solid. Without the coordinating ligands, all of the compounds show little to no ionic conductivity. Pulsed-field gradient nuclear magnetic resonance spectroscopy suggests that the ionic conduction occurs through a hopping mechanism, where the cations are moving between H2O molecules, instead of a vehicular mechanism which has been observed in other hydrated layered solids. This modular system not only facilitates tailoring to different potential applications but also enables us to probe the effect of different host structures, mobile ions, and coordinating ligands on the ionic conductivity. This research highlights the influence of cation charge density, diffusion channel size, and effective charge screening on ligand-assisted solid state ionic conductivity. The insights gained can be applied in the design of other ligand-assisted solid state ionic conductors, which will be especially impactful in realizing solid state multivalent ionic conductors. Additionally, the ion-intercalated MPS3-based frameworks could potentially serve as a universal solid state electrolyte for various next-generation battery chemistries.
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