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Insights into the Rich Polymorphism of the Na+ Ion Conductor Na3PS4 from the Perspective of Variable-Temperature Diffraction and Spectroscopy

Authors :
Emmanuelle Suard
M. Saiful Islam
Houssny Bouyanfif
Olaf J. Borkiewicz
Jean-Noël Chotard
Mohamed Zbiri
Theodosios Famprikis
Matthieu Courty
Christian Masquelier
Oliver Clemens
François Fauth
James A. Dawson
Helen Y. Playford
Pieremanuele Canepa
Damien Dambournet
Laboratoire réactivité et chimie des solides - UMR CNRS 7314 (LRCS)
Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
University of Bath [Bath]
Advanced Lithium Energy Storage Systems - ALISTORE-ERI (ALISTORE-ERI)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E)
Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Université de Nantes (UN)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)
Laboratoire de Physique de la Matière Condensée - UR UPJV 2081 (LPMC)
Université de Picardie Jules Verne (UPJV)
National University of Singapore (NUS)
Institut Laue-Langevin (ILL)
ILL
Newcastle University [Newcastle]
ALBA Synchrotron light source [Barcelone]
STFC Rutherford Appleton Laboratory (RAL)
Science and Technology Facilities Council (STFC)
PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (PHENIX)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Argonne National Laboratory [Lemont] (ANL)
University of Stuttgart
Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Nantes (UN)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Source :
Chemistry of Materials, Chemistry of Materials, American Chemical Society, 2021, 33 (14), pp.5652-5667. ⟨10.1021/acs.chemmater.1c01113⟩, Chemistry of Materials, 2021, 33 (14), pp.5652-5667. ⟨10.1021/acs.chemmater.1c01113⟩, 'Chemistry of Materials ', vol: 33, pages: 5652-5667 (2021)
Publication Year :
2021
Publisher :
HAL CCSD, 2021.

Abstract

International audience; Solid electrolytes are crucial for next-generation solid-state batteries, and Na 3 PS 4 is one of the most promising Na + conductors for such applications, despite outstanding questions regarding its structural polymorphs. In this contribution, we present a detailed investigation of the evolution in structure and dynamics of Na 3 PS 4 over a wide temperature range 30 < T < 600°C through combined experimental−computational analysis. Although Bragg diffraction experiments indicate a second-order phase transition from the tetragonal ground state (α, P4̅ 2 1 c) to the cubic polymorph (β, I4̅ 3m) above ∼250°C, pair distribution function analysis in real space and Raman spectroscopy indicate remnants of a tetragonal character in the range 250 < T < 500°C, which we attribute to dynamic local tetragonal distortions. The first-order phase transition to the mesophasic high-temperature polymorph (γ, Fddd) is associated with a sharp volume increase and the onset of liquid-like dynamics for sodium-cations (translational) and thiophosphate-polyanions (rotational) evident by inelastic neutron and Raman spectroscopies, as well as pair-distribution function and molecular dynamics analyses. These results shed light on the rich polymorphism of Na 3 PS 4 and are relevant for a range host of high-performance materials deriving from the Na 3 PS 4 structural archetype.

Details

Language :
English
ISSN :
08974756 and 15205002
Database :
OpenAIRE
Journal :
Chemistry of Materials, Chemistry of Materials, American Chemical Society, 2021, 33 (14), pp.5652-5667. ⟨10.1021/acs.chemmater.1c01113⟩, Chemistry of Materials, 2021, 33 (14), pp.5652-5667. ⟨10.1021/acs.chemmater.1c01113⟩, 'Chemistry of Materials ', vol: 33, pages: 5652-5667 (2021)
Accession number :
edsair.doi.dedup.....5fbb096025387b99e1c269bca5d24c15