Promoting Ion Conduction and Li Metal Compatibility Through Nb 5+ ‐Substituted Zirconium‐Based Chlorides for All‐Solid‐State Batteries

材料科学 离子电导率 相容性(地球化学) 钝化 电解质 离子键合 电化学 氧化物 卤化物 电导率 化学工程 无机化学 离子 金属 兴奋剂 导电体 热传导 快离子导体 电化学窗口 电极 锂(药物) 碱金属
作者
Ren Wanqing,Yang Li,Xing-yi Peng,Meng Wu,Xiang Qi,Peng Lei,Chang-Yi Fan,Ce‐Wen Nan,LI Zhen-fan
出处
期刊:Interdisciplinary materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/idm2.70022
摘要

ABSTRACT Zirconium‐based halide electrolytes were created as prospective candidates for all‐solid‐state lithium batteries (ASSLBs) because of their low cost, wide electrochemical window, and superior compatibility with oxide cathodes. However, practical implementation is hindered by limitations such as suboptimal room‐temperature (RT) ionic conductivity (< 1 mS cm −1 ) and poor interfacial compatibility with lithium metal. Herein, we report a new class of zirconium‐based chlorides, Li 2− x Zr 1− x Nb x Cl 6 , synthesized by a high‐valent Nb 5+ doping method. The introduction of Nb 5+ induces local lattice decrease, which simultaneously weakens the binding intensity of Li─Zr and optimizes ion migration pathways and defect concentrations. Therefore, the optimal composition, Li 1.75 Zr 0.75 Nb 0.25 Cl 6 (denoted as LZC‐Nb), achieves a high RT ionic conductivity of 1.82 mS cm −1 and exceptional moisture resistance. Furthermore, the dynamic interfacial modulation of LZC‐Nb forms a low‐impedance passivation layer, enhancing Li + transport kinetics. This improvement in interfacial stability enables symmetric batteries to exceed a critical current density of 1.3 mA cm −2 . Combined with a LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 cathode, the resultant ASSLB retains 81.8% of its initial capacity (157.5 mAh g −1 ) after 600 cycles at 0.3 C. This study provides a proven strategy for developing inorganic ionic conductors with superior ionic transport and interfacial compatibility, offering a viable pathway toward high‐performance ASSLBs.
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