孙学良/​苏岳锋等JACS：跳跃率和迁移熵作为固态电解质内超离子传导的起源

全固态锂电池（ASSLB）由于比目前的液态锂电池有几个关键的优势，包括更高的安全性、更好的机械/热稳定性，以及有可能达到能量/功率密度的要求而受到研究的关注。这给固态电解质（SSEs）的发展带来了巨大的推动力，因为SSEs直接影响到整个电池的性能。

无机固态电解质（SSEs）因其在高能固态电池中的潜在用途而获得了极大的关注。然而，人们对SSEs中快速离子传导的基本机制缺乏了解。

在此，西安大略大学孙学良教授，北京理工大学苏岳锋教授，格林先进材料与技术研究院固态电池研究中心Liang Jianwen等人通过联合分析方法阐明了影响SSE中离子电导率的关键参数，该方法检查了几种具有代表性的SSE（Li₃YCl₆、Li₃HoCl₆和Li₆PS₅Cl），这些SSE在xLiCl-InCl₃系统中得到了进一步验证。电导率谱的标度分析解耦了移动载流子浓度和跳跃速率对离子电导率的影响。

尽管载流子浓度随温度而变化，但仅此变化并不能导致电导率的几个数量级差异。相反，跳跃速率和离子电导率随着温度的变化呈现出相同的趋势。迁移熵是由跳跃原子从初始位置到鞍状位置的晶格振动引起的，也被证明在Li+的快速迁移中起着重要作用。

图1. 几种具有代表性的SSE（Li₃YCl₆、Li₃HoCl₆和Li₆PS₅Cl）的电导率谱及不同温度下的载流子浓度因子

总之，将跳跃率、载流子浓度和迁移熵对离子传输的影响解耦，有助于设计和开发具有超离子导电性的固态电解质。本工作发现并确定了在SSE中锂迁移的主导因素。电导率光谱分析显示，虽然单个SSEs的载流子浓度一般会随着温度的升高而增加，但这并不足以导致最终离子电导率的明显变化。

相反，跳跃率和离子电导率表现出类似的随温度变化的趋势，而且跳跃和Li⁺ 电导率的激活能都是相似的。这表明，SSEs的离子电导率受移动载流子的跳跃率的影响比受其浓度的影响更强烈。结合AIMD模拟，离子传导中的迁移熵贡献被进一步确定。

图2. 迁移熵和迁移（跳跃）率对Li+ 在无机SSE内迁移的作用机制

Hopping Rate and Migration Entropy as the Origin of Superionic Conduction within Solid-State Electrolytes, Journal of the American Chemical Society 2023 DOI: 10.1021/jacs.3c01955