Przejdź do treści

Local structure and lithium transport in Zr- and Hf-Doped LiTa2PO8 ceramics

Fosforan tantalowo-litowy (LiTa₂PO₈) jest obecnie jednym z najbardziej obiecujących materiałów ceramicznych do zastosowania jako elektrolit stały w nowej generacji baterii litowo-jonowych. Struktura krystaliczna LiTa₂PO₈ może być modyfikowana poprzez domieszkowanie w celu zwiększenia przewodności elektrycznej. W pracy badano wpływ podstawienia części atomów tantalu atomami hafnu lub cyrkonu na lokalną strukturę w układach Li₁₊ₓTa₁₋ₓMₓPO₈ (M = Hf lub Zr). Kompleksowe badania struktury krystalicznej przeprowadzono za pomocą metod: dyfrakcji neutronów, spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego w fazie stałej (MAS NMR) oraz spektroskopii Ramana. Wykonano również obrazowanie mikrostruktury ceramik oraz pomiary elektryczne. 

W pracy wykazano, że w badanych układach rozpuszczalność hafnu i cyrkonu jest ograniczona do x = 0,05. Precyzyjna analiza strukturalna próbek o składzie x = 0,05 pokazała, że jony litu są rozmieszczone w czterech pięciokoordynacyjnych pozycjach, które łączą się, tworząc kanały dyfuzji w kierunku krystalograficznym ⟨001⟩. Analiza danych dyfrakcyjnych wskazała na subtelne różnice w rozmieszczeniu jonów litu w zależności od domieszki, tzn. materiał domieszkowany hafnem wykazywał bardziej dwuwymiarowy charakter przewodnictwa jonowego. 

Pomimo różnic strukturalnych, przewodności jonowe oraz energie aktywacji dla obu materiałów są bardzo zbliżone; w temperaturze pokojowej wartości przewodności wynoszą odpowiednio 0,9 × 10⁻³ S·cm⁻¹ (przewodność całkowita) oraz 1,6 × 10⁻³ S·cm⁻¹ (przewodność wnętrz ziaren). Należy zaznaczyć, że osiągnięta przewodność wnętrz ziaren jest szczególnie wysoka w porównaniu z innymi tlenkowymi przewodnikami jonów litu. W pracy wskazano również na przesłanki świadczące o klastrowaniu się jonów litu, co może sugerować ich skoordynowany ruch w trakcie procesu przewodzenia.

Artykuł:

Acta Materialia

Autorzy z PW:

Wioleta Ślubowska-Walkusz, Klaudia Pachulska, Cezariusz Jastrzębski, Agnieszka Krawczyńska, Konrad Kwatek

Rok wydania: