未来电池用超四面体乐高

新的钠基全固态电池可以使未来的储能装置仅使用易于访问、廉价且富含地球元素的钠、硅和磷(NA、Si和P)。NIM科学家Bettina Lotsch教授和同事通过将它们成形为含有大四面体实体的磷硅酸钠,产生了具有非常高的离子导电性的固体电解质。

固体钠离子导体以富含地球元素和相对便宜的元素Na、Si和P为基础,可由磷硅酸钠组成。这些提供了一种有趣的结构,由由钠离子包围的磷硅酸盐超四面体组成。

Bettina Lotsch教授和同事分析了六种新的磷硅酸盐结构,并表明随着超四面体尺寸的增大,结构的导电性也随之增加。T5/T5型超四面体团簇的离子电导率最高。这种材料在钠基全固态电池中是潜在的固体电解质候选物。在AgEnWuntTe化学中描述了所有新的结构和性能。

乐高:将四面体建筑单元叠加成超四面体

T5/T5超四面体可以被看作是一个大四面体,其边缘长度为五个SIP4四面体建筑单元。SIP4单元由顶点连接,作为特殊特征,T5超四面体在其中心缺少一个Si原子,以在其内部达到电荷中性。所述T5超四面体通过在相邻超四面体的拐角处融合SIP4四面体互连。以这种方式连接的超四面体形成在三维闪锌矿状网络中类似的26元环的互穿网络。钠离子分布在超四面体网络之间,在不规则的NAPX多面体中协调,并且仅部分地占据。

“我们的超四面体结构是唯一已知的钠传导SIP基化合物,”该出版物的第一作者之一Anna Katharina Hatz解释说。“我们很高兴我们能证明它们与其他已知的钠离子导体一样有效,但仅仅来自地球丰富和廉价的元素。”

全固态电池

目前,所有的固态电池都是研究的焦点。它们可能提供比商业锂离子电池(LIBs)更高的安全性和更快的充电。由于锂离子电池的未来短缺和高成本,钠离子电池是LIB的一个有吸引力的替代物。

科学家们可以看出,磷酸化硅酸钠的导电性随团簇尺寸的增加而明显增加。这可以通过钠阳离子的稀释来解释,因为相对阴离子电荷密度随着网络尺寸的增加而降低。因此,随着钠密度的降低,部分占据的钠位的数量增加,这反过来又增强了导电性。在超四面体团簇中,钠离子通过离子通道迁移。连接这些通道和通道本身的途径变得越来越宽,随着尺寸的增加,导致在T5/T5结构中快速、几乎三维的钠迁移。

“在此背景下,我们的目标是在新一类磷硅酸钠中找到更多的,甚至更快的离子导体,并为下一代储能器件提供一种新的导体材料。”Hatz说。

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