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Sulfur-Induced Lattice Disordering in Halide Electrolytes Enables Superionic Sodium-Ion Conduction

材料科学 快离子导体 化学物理 无定形固体 电解质 离子电导率 热传导 卤化物 格子(音乐) 法拉第效率 离子 从头算 分子动力学 扩散 价(化学) 电导率 离子键合 从头算量子化学方法 纳米技术 晶体结构 工作(物理) 亚稳态 晶格能
作者
Feng Jin,Bingxu Wang,Meenal Agrawal,Ingeborg Sellæg Ellingsen,Guobiao Jin,Lulu Alluhaibi,Alexey Maximenko,Marcin Zając,Dragos Constantin Stoian,Kenneth P. Marshall,Wouter van Beek,Feng Ming Pan,Daniel Rettenwander
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c11189
摘要

Abstract Amorphous solid electrolytes provide a promising route to overcoming the ion-transport limitations of crystalline halide frameworks, yet achieving superionic Na+ conduction remains challenging. Herein, we report a mixed-anion amorphous Na-ion solid-state electrolyte, TaCl5-0.5Na2S (NTSC), synthesized via high-energy ball-milling, which exhibits an ultrahigh room-temperature ionic conductivity of 2.9 mS/cm and a low activation energy of 0.276 eV. Structural analyses reveal a highly disordered framework composed of Ta-centered bipolyhedra interconnected via corner-sharing sulfur atoms [Ta2Cl10S], [TaCl5S], [TaCl4S], and [TaCl4S2], evidenced by comprehensive characterizations, forming a flexible, disordered amorphous network. Ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations identify continuous Na+-diffusion pathways with low migration barriers. Complementary topological analyses further indicate that sulfur incorporation leads to local lattice distortions, shortens Na–Na hopping distances, and enhances framework flexibility, collectively enabling fast, multidimensional Na+ transport. When applied in all-solid-state sodium-ion batteries (ASSNIBs), NTSC enables high reversible capacity (111.95 mAh/g with a Coulombic efficiency of 92.6% at 0.1 C) and excellent cycling stability (76.9% initial capacity retention after 200 cycles at 0.2 C) at room temperature. This work establishes mixed-anion amorphization as an effective design strategy for high-performance Na-ion solid electrolytes.
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