孙学良教授、杨勇教授、孙旭辉教授、Tsun-Kong Sham教授 AFM：高离子导钪掺杂NASICON型固态电解质离子传输机理- 大数跨境

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孙学良教授、杨勇教授、孙旭辉教授、Tsun-Kong Sham教授 AFM：高离子导钪掺杂NASICON型固态电解质离子传输机理

科学材料站

2021-06-08

导读：该观点文章证明通过少量钪掺杂可将NASICON型钠离子固态电解质的离子电导率提高至10-3 S/cm，并且通过同步辐射吸收谱及固态核磁共振等测试分析手段，深入研究了钪掺杂后固态电解质中钠离子的传输机制

文章信息

高离子导钪掺杂NASICON型固态电解质的离子传输机理

第一作者：孙飞、向宇轩

通讯作者：孙学良*、杨勇*、孙旭辉*、Tsun-Kong Sham*

单位：苏州大学，加拿大西安大略大学，厦门大学

研究背景

使用固态电解质替代液态电解质已经成为非常紧迫及具有挑战性的研究话题。在钠离子电池研究中，NASICON型氧化物由于其高离子导电率和低膨胀率成为最具潜力的固态电解质之一。

目前通过元素掺杂提高NASICON离子导电率是最为普遍及有效的方法。经研究，通过少量镧，锌，钪等元素掺杂均可将其离子电导率提高至10-3 S/cm。但对其提高后离子传输机理的研究却很有限。

本篇基于同步辐射吸收谱及固态核磁共振等测试分析手段，深入研究了钪掺杂后固态电解质中钠离子的传输机制。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速进一步提高无机固态电解质离子导电率的研究及实际应用。

文章简介

近日，来自加拿大西安大略大学的孙学良教授、Tsun-Kong Sham教授与厦门大学的杨勇教授及苏州大学的孙旭辉教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Origin of High Ionic Conductivity of Sc-Doped Sodium-Rich NASICON Solid-State Electrolytes”的观点文章。

该观点文章证明通过少量钪掺杂可将NASICON型钠离子固态电解质的离子电导率提高至10-3 S/cm，并且通过同步辐射吸收谱及固态核磁共振等测试分析手段，深入研究了钪掺杂后固态电解质中钠离子的传输机制。

本文要点

要点一：在NASICON结构材料中，少量钪掺杂能够有效提高该固态电解质的离子导电率，伴随着掺杂量的增加，材料离子导电率先升高后降低，常温下离子导电率最高可达约2×10-3 S/cm，其100 ℃ 条件下高达1.1×10-2 S/cm. 相比未掺杂的原NASICON固态电解质，离子导电率提高了一个数量级，为实际应用提供了有利性能条件。

图1. 钪掺杂NASICON固态电解质在不同掺杂量，不同温度下的离子导电率

要点二：结合同步辐射吸收谱，XRD等表征分析，掺杂钪元素能够成功进入NASICON材料结构中，取代部分Zr元素。继而使得单位晶格中钠离子总数增加，晶格参数发生变化。钠离子数及晶格参数变化均对材料中离子运动产生影响。

图2. 钪掺杂NASICON固态电解质在不同掺杂量下的各元素同步辐射吸收谱。

要点三：本文通过固态核磁共振测试分析，深入研究了钪掺杂后固态电解质中钠离子的动力学及传输机制。实验分析表明，改性后的固态电解质结构中，钠离子计量数发生变化，且钠离子在不同位点的重新分布对离子运动产生了显著影响。

在晶体结构中，Na2位点的离子运动速度小于Na1及Na3位点，所以Na2位点的离子运动成为材料整体结构中离子运动的瓶颈，Na2位点的离子运动速度决定了整体离子导水平。伴随着钪掺杂量的增加，Na2位点的离子数量逐渐增加，提升了Na2位点离子的迁移数量和运动速度，继而提高了整体离子导电率。

随后掺杂量增加到一定程度，Na2位点离子数逐渐下降，并且材料中开始出现杂质，因此电解质的离子导电率也随之降低。所以，钪掺杂后的钠离子在不同位点的重新分布是该固态电解质离子导电率变化的主要原因。

图3. 钪掺杂NASICON固态电解质在不同掺杂量下钠离子在不同位点的迁移速度及数量变化。

文章链接

“Origin of High Ionic Conductivity of Sc-Doped Sodium-Rich NASICON Solid-State Electrolytes”

https://doi.org/10.1002/adfm.202102129

通讯作者介绍

孙学良教授。

加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大纳米能源材料首席科学家（Tier I），加拿大西安大略大学终身教授。孙教授于1999年在英国曼彻斯特大学获得博士学位，1999-2001于加拿大哥伦比亚大学从事博士后研究，2001-2004在魁北克科学与工程研究院从事助理研究员工作；现任国际能源科学院的副主席，Electrochemical Energy Review（EER）的主编和Frontier of Energy Storage的副主编。

孙院士的主要研究方向是纳米能源结构材料在能源储存和转化，重点从事燃料电池和全固态锂电池，锂离子电池的研究和应用。已发表超过540篇SCI科学论文，其中包括Nat. Energy, Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Accounts Chem. Res., Energy Environ. Sci., 等高水平杂志。

杨勇教授。

厦门大学闽江计划特聘教授，英国牛津大学访问科学家。主要研究方向为能源电化学、材料物理化学及表面物理化学。曾荣获美国电化学会电池分会技术奖（2020），中国电化学贡献奖（2017），国际电池材料协会(IBA)技术成就奖获得者(2014)，国家杰出青年科学基金获得者(1999)，人事部“新世纪百千万人才工程”国家级人选(2004)，获国务院政府特殊津贴(2006)，现担任国际知名电池杂志J. Power Sources (IF=8.23) 主编，国际电池材料学会(IBA)理事会理事，国际锂电池会议(IMLB)执委等学术兼职余年。先后承担包括国家973、国防973、国家重点研发专项课题及其国家基金委重点项目在内的科研项目40余项，同时也与多个国际知名企业合作开展技术研发。已在国内外学术期刊如Nature Energy, Nature Nanotehnlogy, Nature Comm.和Energy Environ. Sci.上发表论文400余篇，申报中国发明专利等50余项，已获授权35项。近5年应邀在国内外学术会议上作大会与邀请报告40余次。撰写学术著作或专章3部。其中“固态电化学”一书获得中国化工学会专著一等奖，已培养毕业博士后、博士、硕士100余人。

孙旭辉教授。

苏州大学功能纳米与软物质材料研究院，特聘教授，博士生导师。研究领域包括纳米材料和纳米功能器件及其在新能源（纳米发电机、光解水、锂电池等）、柔性传感器及自驱动传感方面的应用研究，以及同步辐射技术及其在纳米材料研究中的应用。现已在SCI收录国际期刊如J. Am. Soc. Chem.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Chem. Rev.、Energy Environ. Sci. 、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.等上发表论文200余篇，撰写英文书(章节)5章。获得美国专利3项，PCT专利2项，申请中国专利80余项，已授权40余项。担任国际杂志IEEE Transaction on Nanotechnology副主编，Frontiers in Materials编委会委员，是国际电子电工学会高级会员、国际材料学会、国际X射线吸收谱学会会员，以及国家同步辐射实验室用户委员会副主任、上海光源用户委员会委员，国家纳米标准委员会苏州工作组副组长。2010 年入选“苏州市紧缺人才计划”。2011 年入选江苏省“333”人才工程计划。2012 年入选苏州工业园区科技领军人才。承担了国家重大研究计划课题负责人2项，国家基金委联合基金重点项目、重大研究计划培育项目、面上项目负责人等多项，还参与了国家863重大项目、国家02专项等。

Tsun-Kong Sham 教授。

加拿大西安大略大学化学院教授，加拿大皇家学科学院院士，加拿大勋章获得者。Sham教授主要从事同步辐射技术的研究，已发表超过700篇SCI论文，他引次数达20347次， H因子69，其中包括Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等杂志。

第一作者介绍

孙飞，加拿大西安大略大学材料工程学院博士，主要研究方向为高离子导固态电解质的开发和机理研究。

他于2010年在西安交通大学大学获得本科学位，2014年在北京有色金属研究总院获得硕士学位，随后加入西安大略大学，师从材料工程学院孙学良院士和化学学院Tsun-Kong Sham院士。迄今作为第一作者或共同作者在国际期刊发表多篇SCI论文，其中包括Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Int. J. Hydrog. Energy等。

第一作者介绍

向宇轩，厦门大学物理化学博士研究生。

师从杨勇教授，研究方向主要为原位固体核磁共振及其成像技术在锂/钠离子电池材料中的应用研究，迄今为止作为第一作者（或共同第一作者）在国际期刊上发表多篇SCI论文，包括Nat. Nanotech., Mater. Today, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces 等。

课题组介绍

https://www.eng.uwo.ca/nanoenergy/home/index.html