Li 与 SiO4 的软非谐耦合振动促成非晶 Li2Si2O5 中的锂离子扩散
材料科学
2022-10-18 v1
摘要
我们利用准弹性（QENS）与非弹性中子散射（INS）研究，并结合第一性原理分子动力学模拟（AIMD），探究了晶态与非晶态 Li2Si2O5 的原子动力学与 Li+ 扩散。非晶相 Li2Si2O5 的 QENS 测量显示出一个狭窄温窗（700 < T < 775 K），表现出显著的准弹性展宽，对应于快速 Li+ 扩散以及 SiO4 单元向晶态的弛豫。我们的 INS 测量清晰显示，在超离子非晶相中存在低能（low-E）处较大的声子态密度（PDOS），而在非超离子晶态中消失，印证了低能模在 Li+ 扩散中的作用。受阻的能量景观与宿主柔性（源于 SiO4 多面体单元的随机取向与振动运动）在 Li+ 扩散中起着关键作用。我们通过 AIMD 模拟确认，这些低能模涉及非晶相中 Li 与 SiO4 振动的大幅耦合。在升高温度下，这些振动动力学通过类似桨轮式的耦合机制加速 Li+ 扩散。高于 775 K 时，这些 SiO4 振动动力学将系统驱入晶态，将 SiO4 与 Li+ 锁定于自由能景观的更深极小值中，并在晶态中消失。实验与模拟共同提供了关于 Li2Si2O5 中原子尺度随机与振动动力学及其在 Li+ 扩散与玻璃化中作用的宝贵信息。
引用
@article{arxiv.2210.09003,
title = {Soft Anharmonic Coupled Vibrations of Li and SiO4 Enable Li-ion Diffusion in Amorphous Li2Si2O5},
author = {Sajan Kumar and Mayanak K. Gupta and Prabhatasree Goel and Ranjan Mittal and Sanghamitra Mukhopadhyay and Manh Duc Le and Rakesh Shukla and Srungarpu N. Achary and Avesh K. Tyagi and Samrath L. Chaplot},
journal= {arXiv preprint arXiv:2210.09003},
year = {2022}
}
备注
31 pages, 7 Figures, Supplementary Materials