Non-equilibrium microstructure of Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 superionic conductor by spark plasma sintering for enhanced ionic conductivity

材料科学 放电等离子烧结 离子电导率 微观结构 离子键合 电导率 无定形固体 热力学平衡 陶瓷 退火(玻璃) 电解质 离子 复合材料 热力学 物理化学 结晶学 电极 化学 物理 量子力学
作者
Shanshan Duan,Hongyun Jin,Junxi Yu,Ehsan Nasr Esfahani,Yang Bing,Jiale Liu,Yazhou Ren,Ying Chen,Luhua Lu,Xiaocong Tian,Shuen Hou,Jiangyu Li
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:51: 19-25 被引量:29
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2018.06.050
摘要

Abstract In solid-state electrolytes, the large resistance at grain boundaries remains the bottleneck for high ionic conductivity. Here we develop an alternative and somewhat counterintuitive strategy to enhance their ionic conductivity via non-equilibrium microstructure. Using Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 as an example, we demonstrate that semi-crystalline interphase between well crystallized ceramic phase and amorphous glass phase can be induced by spark plasma sintering, resulting in total ionic conductivity of 1.3 × 10−3 S cm−1 without any doping, which is 2 orders of magnitude higher than that derived by the conventional method. It is further demonstrated that the non-equilibrium structure is stable in ambient condition, yet can be converted into equilibrium structure by annealing with higher crystallinity but much lower ionic conductivity, proving that the non-equilibrium structure is indeed the key to the high performance. This opens door for its applications in electric vehicles, and the strategy is applicable to other ionic systems as well.

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