NMR studies of activation energy distributions in solid ion conductors

固体离子导体中活化能分布的核磁共振研究

基本信息

项目摘要

Ion transport in solid materials is of great importance to enable and refine modern applications. For example, it is a key factor to improve existing battery technologies and, hence, to overcome current limitations relating to the storage and conversion of energy. To tailor the ion transport to the requirements for specific functions, a fundamental understanding of the structure-dynamics relations in solid electrolytes is crucial. Energy landscapes are a fruitful concept in this context. This project uses the capabilities of nuclear magnetic resonance to establish links between ion dynamics and energy landscapes of solid electrolytes. In particular, a variety of experimental techniques, including field-cycling relaxometry, stimulated-echo experiments, and field-gradient diffusometry, are combined to ascertain lithium ion dynamics and energetics on various time and length scales. This analysis involves both amorphous and crystalline electrolytes allowing us to realize largely different degrees of order. The results, e.g., correlation time and activation energy distributions, are compared with findings of manifold experimental and theoretical approaches to the dynamics and structure of these materials obtained in other projects of a collaborative research effort, in particular, with distributions of diffusion coefficients from P1, atom probe tomography data from P3, and theoretical models from P5. In this way, we determine how macroscopic ion transport evolves from elementary ion jumps in various types of energy landscapes. This information paves the way for knowledge-based manipulation of application-relevant material properties.
固体材料中的离子输运对于实现和改进现代应用具有重要意义。例如,它是改进现有电池技术的关键因素,从而克服当前与能量存储和转换有关的限制。为了使离子传输符合特定功能的要求,对固体电解质中的结构-动力学关系有一个基本的了解是至关重要的。在这种背景下,能源景观是一个富有成效的概念。该项目利用核磁共振的能力来建立离子动力学和固体电解质能量景观之间的联系。特别是,各种实验技术,包括场循环弛豫测量,刺激回波实验和场梯度扩散测量相结合,以确定锂离子动力学和能量在不同的时间和长度尺度。这种分析涉及非晶和结晶电解质,使我们能够实现很大程度上不同的有序。将相关时间和活化能分布等结果与其他合作研究项目中对这些材料的动力学和结构的多种实验和理论方法的发现进行了比较,特别是与P1的扩散系数分布、P3的原子探针断层扫描数据和P5的理论模型进行了比较。通过这种方式,我们确定了宏观离子输运是如何在不同类型的能量景观中从基本离子跳变演变而来的。这些信息为应用相关材料属性的基于知识的操作铺平了道路。

项目成果

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