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Sodium Ion Diffusion in Nasicon (Na3Zr2Si2PO12) Solid Electrolytes: Effects of Excess Sodium

快离子导体 材料科学 电解质 晶界 离子电导率 扩散 晶界扩散系数 离子 离子键合 介电谱 分析化学(期刊) 化学 微观结构 电化学 物理化学 热力学 冶金 电极 物理 有机化学 色谱法
作者
Heetaek Park,Keeyoung Jung,Marjan Nezafati,Chang Soo Kim,Byoungwoo Kang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:8 (41): 27814-27824 被引量:240
标识
DOI:10.1021/acsami.6b09992
摘要

The Na superionic conductor (aka Nasicon, Na1+xZr2SixP3-xO12, where 0 ≤ x ≤ 3) is one of the promising solid electrolyte materials used in advanced molten Na-based secondary batteries that typically operate at high temperature (over ∼270 °C). Nasicon provides a 3D diffusion network allowing the transport of the active Na-ion species (i.e., ionic conductor) while blocking the conduction of electrons (i.e., electronic insulator) between the anode and cathode compartments of cells. In this work, the standard Nasicon (Na3Zr2Si2PO12, bare sample) and 10 at% Na-excess Nasicon (Na3.3Zr2Si2PO12, Na-excess sample) solid electrolytes were synthesized using a solid-state sintering technique to elucidate the Na diffusion mechanism (i.e., grain diffusion or grain boundary diffusion) and the impacts of adding excess Na at relatively low and high temperatures. The structural, thermal, and ionic transport characterizations were conducted using various experimental tools including X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). In addition, an ab initio atomistic modeling study was carried out to computationally examine the detailed microstructures of Nasicon materials, as well as to support the experimental observations. Through this combination work comprising experimental and computational investigations, we show that the predominant mechanisms of Na-ion transport in the Nasicon structure are the grain boundary and the grain diffusion at low and high temperatures, respectively. Also, it was found that adding 10 at% excess Na could give rise to a substantial increase in the total conductivity (e.g., ∼1.2 × 10-1 S/cm at 300 °C) of Nasicon electrolytes resulting from the enlargement of the bottleneck areas in the Na diffusion channels of polycrystalline grains.
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