Hopping Rate and Migration Entropy as the Origin of Superionic Conduction within Solid-State Electrolytes

化学 离子电导率 电导率 热传导 快离子导体 电解质 离子 化学物理 离子键合 缩放比例 凝聚态物理 热力学 物理化学 电极 物理 数学 有机化学 几何学
作者
Xiaona Li,Honggang Liu,Changtai Zhao,Jung Tae Kim,Jiamin Fu,Xiaoge Hao,Weihan Li,Ruying Li,Ning Chen,Duanyun Cao,Zhenwei Wu,Yuefeng Su,Jianwen Liang,Xueliang Sun
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (21): 11701-11709 被引量:50
标识
DOI:10.1021/jacs.3c01955
摘要

Inorganic solid-state electrolytes (SSEs) have gained significant attention for their potential use in high-energy solid-state batteries. However, there is a lack of understanding of the underlying mechanisms of fast ion conduction in SSEs. Here, we clarify the critical parameters that influence ion conductivity in SSEs through a combined analysis approach that examines several representative SSEs (Li3YCl6, Li3HoCl6, and Li6PS5Cl), which are further verified in the xLiCl-InCl3 system. The scaling analysis on conductivity spectra allowed the decoupled influences of mobile carrier concentration and hopping rate on ionic conductivity. Although the carrier concentration varied with temperature, the change alone cannot lead to the several orders of magnitude difference in conductivity. Instead, the hopping rate and the ionic conductivity present the same trend with the temperature change. Migration entropy, which arises from lattice vibrations of the jumping atoms from the initial sites to the saddle sites, is also proven to play a significant role in fast Li+ migration. The findings suggest that the multiple dependent variables such as the Li+ hopping frequency and migration energy are also responsible for the ionic conduction behavior within SSEs.
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