New Cost‐Effective Halide Solid Electrolytes for All‐Solid‐State Batteries: Mechanochemically Prepared Fe 3+ ‐Substituted Li 2 ZrCl 6

材料科学 快离子导体 卤化物 拉曼光谱 固溶体 电导率 球磨机 电化学 化学稳定性 电解质 无机化学 化学工程 物理化学 电极 冶金 化学 物理 光学 工程类
作者
Hiram Kwak,Daseul Han,Jeyne Lyoo,Juhyoun Park,Sung Hoo Jung,Yoonjae Han,Gihan Kwon,Hansu Kim,Seung‐Tae Hong,Kyung‐Wan Nam,Yoon Seok Jung
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (12) 被引量:314
标识
DOI:10.1002/aenm.202003190
摘要

Abstract Owing to the combined advantages of sulfide and oxide solid electrolytes (SEs), that is, mechanical sinterability and excellent (electro)chemical stability, recently emerging halide SEs such as Li 3 YCl 6 are considered to be a game changer for the development of all‐solid‐state batteries. However, the use of expensive central metals hinders their practical applicability. Herein, a new halide superionic conductors are reported that are free of rare‐earth metals: hexagonal close‐packed (hcp) Li 2 ZrCl 6 and Fe 3+ ‐substituted Li 2 ZrCl 6 , derived via a mechanochemical method. Conventional heat treatment yields cubic close‐packed monoclinic Li 2 ZrCl 6 with a low Li + conductivity of 5.7 × 10 −6 S cm −1 at 30 °C. In contrast, hcp Li 2 ZrCl 6 with a high Li + conductivity of 4.0 × 10 −4 S cm −1 is derived via ball‐milling. More importantly, the aliovalent substitution of Li 2 ZrCl 6 with Fe 3+ , which is probed by complementary analyses using X‐ray diffraction, pair distribution function, X‐ray absorption spectroscopy, and Raman spectroscopy measurements, drastically enhances the Li + conductivity up to ≈1 mS cm −1 for Li 2.25 Zr 0.75 Fe 0.25 Cl 6 . The superior interfacial stability when using Li 2+ x Zr 1− x Fe x Cl 6 , as compared to that when using conventional Li 6 PS 5 Cl, is proved. Furthermore, an excellent electrochemical performance of the all‐solid‐state batteries is achieved via the combination of Li 2 ZrCl 6 and single‐crystalline LiNi 0.88 Co 0.11 Al 0.01 O 2 .
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