上海交大薄首行&厦大程俊团队：晶格振动对固态电解质中离子输运的影响

上海交通大学薄首行和厦门大学程俊教授课题组采用同位素取代的方法对固态电解质材料的晶格振动模式进行调变，研究了晶格振动与离子输运的关系，结果表明石榴石结构的固态电解质中，较低的锂离子振动频率有利于获得高离子电导率。

晶格动力学（声子）与离子传输之间的相关性对于提高固态电解质的离子电导率非常重要。化学掺杂的方法可以实现晶格振动频率的调控，但同时会引入材料缺陷，造成材料局域结构和无序化程度的改变，无法清晰的辨别出晶格振动与离子输运间的对应关系。使用同位素取代的方法可以在不改变原子化学环境的情况下选择性调谐或激发特定的声子模式，而不会引入影响离子传输特性的额外缺陷或无序化。

最近，上海交通大学薄首行和厦门大学程俊团队合作研究了离子输运与晶格振动的耦合机制。通过将石榴石固态电解质Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂中的Li元素替换⁶Li同位素，选择性地改变了与锂离子振动相关的频率，拉曼光谱和深势分子动力学（DP-MD）模拟方法的结果表明，⁶Li的引入导致锂离子振动频率增加；电化学交流阻抗谱和DP-MD分析表明，⁶Li同位素取代导致离子电导率降低，活化能升高。同位素取代方法能够进一步定量评估晶格振动的变化对离子输运过程中其他物理参数的影响，其结果表明，锂离子振动频率的增加导致尝试频率增加1.08倍，迁移熵增加3.05 J K^-1 mol^-1。该工作提出了通过采用同位素替代的方法，将声子模式对离子传输的影响与其他复杂结构因子的影响解耦，对于理解固态电解质中离子传输以及如何优化固态电解质离子电导率具有指导意义。

论文作者为上海交通大学郜一蓉和厦门大学黄剑兴，通讯作者为薄首行和程俊教授。该论文受到国家自然科学基金优秀青年基金资助。详见：Yirong Gao, Jianxing Huang, Jun Cheng, Shou-Hang Bo. Correlate Phonon Modes with Ion Transport via Isotope Substitution, Sci. China Chem., 2023, DOI: 10.1007/s11426-022-1488-9.

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【通讯作者简介】

薄首行 上海交通大学溥渊未来技术学院长聘教轨副教授、固态电池研究中心执行主任，国家优秀青年基金获得者，Material Today Energy青年编委。其团队主要围绕固态电池开展超快离子导体，表界面表征以及成像诊断等相关研究。研究成果入围世界科技大奖能源类决选（全球共6项），获得未来储能技术创意大赛最高奖（全国共3项），并应用于新能源龙头企业。个人还获得上海交通大学“唐立新教学名师奖”等奖项。

程俊 厦门大学化学化工学院教授，国家杰出青年科学基金获得者。迄今为止共发表论文130余篇，论文引用约7500多次，H-Index为49。近五年以（共同）通讯作者在Nature Mater.、Nature Catal.(2)、Nature Chem.、Nature Commun.(5)、Sci. Adv.(2)、Phy. Rev. Lett.、Chem(2)、Angew. Chem. Int. Ed.(3)、J. Am. Chem. Soc.等重要期刊发表论文。主持基金委重大项目课题、中德合作项目、华为横向课题等。2019年获得中国电化学青年奖，2021年作为首位华人获得国际电化学会两年一次的重要奖项Alexander Kuznetsov Prize for Theoretical Electrochemistry。现担任J. Chem. Phys.副主编、《电化学》常务副主编、AIP期刊Chem. Phys. Rev.顾问编委、IOP期刊J. Phys.Energy编委。

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