一种锂快离子导体

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1、一种锂快离子导体摘要：电池在现代社会是一项关键技术，它们用于供能给电力或混合动力交通工具，并将风能或太阳能以化学能的形式储存在智能电网中，拥有高能量密度和功率密度的电化学设备目前只能由有机电解液的电池供电，然而，这类电池需要严格的安全预防措施，而制造大型系统非常复杂和昂贵，固体电解质的应用目前受到限制，这是因为它们仅仅在50~80℃时才能达到实际有效电导率(10-2S/cm)，这要比有机电解液的电池低一个数量级，在这里，我们将介绍一种锂快离子导体，Li10GeP2S12，这种材料具有新型的立体框架结构，它在室温下具有非常高的电导率（12mS/cm），这意味着固体电解液中所能

2、达到的最高电导率，甚至超过了有机电解液,这种新型的固态电池在设备制造方面有许多的优势（易成型，集成），稳定（无挥发性），安全（无爆炸），和优良的电化学性能（高导电性和宽电位窗口）。对于高能量密度和功率密度的电池的需求促进了锂离子电池和锂空气电池的进步，固体电解液有指望替代有机电解液，并因此促进下一代安全高效的电池的进步，虽然不燃固体电解质的优点众所周知，但低离子电导率和低化学，电化学稳定性约束了其普遍应用。为了克服这些问题，一项对固体电解质的新材料的研究进行了十几年，这项研究充分考虑了晶体，无定形材料，聚合物及复合材料，尽管这些尝试，1970年发现的一氮化三锂(Li3N)，

3、具有高离子电导率(室温下6×10-3S/cm)，但其低电化学解离电势约束了实际应用，目前研究的其他作为电池电解质的系统是结晶性材料（比如钙钛矿型氧化物，La0.5Li0.5TiO3，硫化结晶锂快离子导体(thio-LISICON)，Li3:25Ge0:25P0:75S4，玻璃陶瓷(Li7P3S11)，所有这些材料具有10-3S/cm数量级的离子电导率，这要低于一氮化三锂，聚合物电解质通常由锂基盐和高分子量的聚合物比如聚环氧乙烷，它们在室温下具有低电导率(10-5S/cm)，这些材料没有一种堪比有机电解质的电导率，和目前使用的锂离子系统(室温下通常10-2S/cm)。锂快离子

4、导体，可作为固体电解质，在低于熔融温度时，在移动离子亚晶格中具有高离子扩散能力，这对于理解固体中快速离子输送机制非常重要（虽然这仍然是一个不寻常的现象），也是合成新型锂快离子导体的一个挑战性的问题。具有一维路径传导的Li10GeP2S12表现出极高的体积电导率(室温下超过10-2S/cm)，一种具有LiCoO2/Li10GeP2S12/In的全固态电池表现出优良的电池性能。Li10GeP2S12由化学计量数量的Li2S,GeS2andP2S5在550℃下抽真空的石英管中反应合成，X射线衍射分析表明，产生了一种具有不同于以前所报导的快离子导体比如thio-LISICON和Li

5、7PS6的结构的新相，P跟锗的比例决定于电感耦合等离子体(ICP)质谱，并被认为是0.662:0.338，这个数值的化学计量值P/Ge=2。Li10GeP2S12的组成和结构决定于同步回旋加速XRD及中子衍射测量方法，同步回旋加速X射线衍射图的峰值表明新相具有一个晶胞参数为a=8:71771Å及c=12.63452Å的四方晶胞，消光规则hk0:h+k=2n，hhl:l=2n，00l:l=2n，h00:h=2n，这是P42/nmc空间群的特征，一个从头计算的结构分析确定了PS4和GeS4四面体在单位晶胞中的排列，同步回旋加速XRD的Rietveld结构精修使用结构模型给出了由

6、从头计算方法揭示的低协议因素，基于同步回旋加速XRD的Rietveld结构精修数据分析所获得的结构模型，锂离子和锂电池容量决定于中子Rietveld分析，轮廓拟合使用了中子衍射数据也支持了低协议因素，图1显示中子Rietveld结构精修图，表1大致描述了R因素，晶格参数和最终结构参数决定于精修过程，晶胞有两个四面体,，4d和2b，4d由Ge和P离子占据，占用参数分别为0.515和0.485，2b的四面体仅仅由P占据，占用参数为1，Ge与P的比例为4.06:1.94，接近2:1，并与ICP分析所决定的组成相一致，晶胞中有3个锂，分别为16h，4d和8f，通过计算，晶胞中的锂原

7、子的数目为20.200。根据ICP和中子衍射分析，新相组成为Li10GeP2S12。图1显示了本研究制备的Li10GeP2S12的电导率测量结果，电导率通过图1a的阻抗特性分析计算得出，这是纯离子导体的特征，由一个半圆和一个锥形组成，二者分别对应体积/晶界和电极的贡献，电导率从晶界和体积电阻的总和得出，27℃时12mS/cm非常高，就我们所知，这是已报导的锂快离子的最高电导率，它达到甚至超过实际应用中锂离子电池所使用的有机电解液的电导率。离子导体的活化能由计算得-110到110℃温度范围内24kJ/mol。这是快离