Sc3+/Zn2+ 双掺杂策略在 Nasicon 中有何优势？解锁卓越的电解质电导率

Sc3+/Zn2+ 双掺杂策略可制备卓越的 NASICON 电解质，通过协同效应实现单一掺杂无法达到的效果。单一掺杂通常只能单独解决电导率或相稳定性问题，而双掺杂则利用钪 (Sc3+) 物理拓宽离子通道，并利用锌 (Zn2+) 同时优化热处理和微观结构。

单一掺杂通常需要在晶格参数和烧结行为之间做出妥协。Sc3+/Zn2+ 双掺杂策略通过将钪的通道拓宽效应与锌的致密化特性相结合，解决了这一问题，从而最大化了体相和晶界电导率。

钪 (Sc3+) 的作用：结构扩展

要理解双掺杂的优势，首先必须分离出钪离子的贡献。它的主要功能是几何和结构上的。

Sc3+ 离子的引入直接影响材料的晶格参数。这种掺杂增加了晶体结构的晶胞体积。

这种膨胀至关重要，因为它物理上拓宽了Na+ 传输通道。更大的通道减少了钠离子的空间位阻，从而实现了更快、更有效的离子移动。

NASICON 电解质在高度导电的菱面体相中表现最佳。Sc3+ 可稳定这一特定相结构。

通过稳定菱面体相，Sc3+ 确保材料保持其高导电性结构，而不是转变为效率较低的多晶型。

钪优化晶格的同时，锌则解决了制造过程中经常遇到的热力学和微观结构挑战。

从单斜相转变为所需的菱面体相需要能量。Zn2+ 掺杂有效地降低了该转变所需的转变温度。

这使得加工窗口更容易实现，并确保在合成过程中更容易形成导电相。

高孔隙率是固态电解质离子电导率的主要障碍。Zn2+ 在烧结过程中积极促进致密化。

这使得材料更加坚固、致密，孔隙更少，这对于实际应用中的高性能至关重要。

真正的优势不仅在于离子的个体贡献，还在于它们如何相互作用以同时解决多个问题。

单一掺杂策略通常能提高体相电导率，但在晶界方面存在困难。Sc3+ 和 Zn2+ 的协同作用显著提高了体相和晶界电导率。

这确保了离子能够快速通过晶格（由于 Sc3+）并在晶粒之间以最小的电阻穿过（由于 Zn2+ 诱导的致密化）。

控制微观结构对于机械和电气一致性至关重要。双掺杂策略可有效抑制异常晶粒生长。

这导致了均匀的晶粒结构，防止了过大晶粒的形成，而过大晶粒会降低电解质的机械完整性和电化学性能。

在将此策略与单一掺杂进行比较时，重要的是要认识到使用单一离子的局限性。

依赖单一掺杂剂通常会导致“性能上限”。例如，仅使用掺杂剂来改善晶格尺寸可能会导致烧结性差或微观结构多孔。

反之，仅用于致密化的掺杂剂可能无法有效稳定菱面体相。双掺杂策略通过确保结构稳定性不以可加工性为代价来减轻这些权衡。

要有效地应用此策略，请将您的掺杂选择与您的具体工程目标相匹配：

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Zichen Li, Naitao Yang. Sc/Zn co-doped NASICON electrolyte with high ionic conductivity for stable solid-state sodium batteries. DOI: 10.1039/d5eb00075k

本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .