Den 14 april, Prof. Ma Cheng från University of Science and Technology of China (USTC) vid Chinese Academy of Sciences (CAS) och hans kollegor rapporterade om en viktig upptäckt angående mekanismen för Li-jonmigrering i fasta elektrolyter för batterier, observerar en ny typ av mikroskopiska egenskaper som avsevärt kan påverka jontransport.

Fasta elektrolyter är nyckelkomponenterna för säker, energität, helsolid-state batterier. Innan starkt ledande fasta elektrolyter kan utvecklas på ett kunskapsbaserat sätt, mekanismen bakom Li-ion-migrering måste förstås grundligt. I många material, framgången för denna uppgift ligger i huruvida de "icke-periodiska dragen" kan förstås väl, eftersom sådana egenskaper ofta orsakar en förändring av storleksordningar i jonkonduktivitet. För närvarande, endast två typer av icke-periodiska egenskaper, korngränser och punktdefekter, övervägdes i de flesta studier.

Ma's team upptäckte ytterligare en typ av icke-periodisk funktion som djupt påverkar jontransport. Med hjälp av aberrationskorrigerad transmissionselektronmikroskopi, de upptäckte ett stort antal enatomlagerdefekter i en prototyp av fast elektrolyt Li _0,33 La _0,56 TiO ₃ . I motsats till andra välkända icke-periodiska egenskaper, den observerade defekten är i huvudsak en förening i ett skikt av en atom som endast uppstår på ett begränsat antal atomplan. På grund av symmetrin hos dessa plan, olika orienterade defekter bildar nästan alltid slutna slingor.

"Det finns faktiskt många sådana defektslingor i materialet, men det är väldigt svårt att observera dem, " sa den första författaren ZHU Feng, som för närvarande är Ph.D. student vid USTC. "De är bara synliga längs vissa riktningar. Dessutom, på grund av deras extrema tunnhet och distraktionen från andra samexisterande mikrostrukturer, förekomsten av dessa defekter märks knappast. Detta kan förklara varför de inte har rapporterats förrän nu."

De observerade defekterna visade sig uppvisa en atomkonfiguration som helt förbjuder Li-jonmigrering över defektskiktet. Som ett resultat, när sådana defekter bildar en sluten slinga, Li-joner kan varken komma in i eller ut ur volymen inuti, och denna del av materialet är således utesluten från den totala jontransporten. Volymen som isoleras på detta sätt är så hög som ~15 %, vilket kan leda till en minskning av jonkonduktiviteten med en till två storleksordningar.

"Defektslingan fungerar som en Li-jonfälla:den förhindrar Li-jonerna i den inneslutna volymen från att fly, " sa Prof. Ma Cheng från USTC, huvudförfattaren till studien. "Som sådan, även om defekterna i sig bara är en atom tunna, de kan fortfarande "döda" mycket stora volymer av den fasta elektrolyten, gör dem icke-ledande."

Forskarna myntade termen "single-atom-layer trap" (SALT) för att beskriva denna unika egenskap. Dess upptäckt avslöjar att icke-periodiska egenskaper andra än korngränser och punktdefekter också i hög grad kan förändra jontransporten, och att liknande studier är akuta på andra fasta elektrolyter.