Charge-clustering induced fast ion conduction in 2LiX-GaF 3 : A strategy for electrolyte design

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作者
Sawankumar V. Patel,Valentina Lacivita,Haoyu Liu,Erica Truong,Yongkang Jin,Yan Wang,Lincoln J. Miara,Ryoung‐Hee Kim,Hyeokjo Gwon,Rongfu Zhang,Ivan Hung,Zhehong Gan,Sung‐Kyun Jung,Yan‐Yan Hu
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:9 (47): eadj9930-eadj9930 被引量:30
标识
DOI:10.1126/sciadv.adj9930
摘要

2LiX-GaF3 (X = Cl, Br, I) electrolytes offer favorable features for solid-state batteries: mechanical pliability and high conductivities. However, understanding the origin of fast ion transport in 2LiX-GaF3 has been challenging. The ionic conductivity order of 2LiCl-GaF3 (3.20 mS/cm) > 2LiBr-GaF3 (0.84 mS/cm) > 2LiI-GaF3 (0.03 mS/cm) contradicts binary LiCl (10-12 S/cm) < LiBr (10-10 S/cm) < LiI (10-7 S/cm). Using multinuclear 7Li, 71Ga, 19F solid-state nuclear magnetic resonance and density functional theory simulations, we found that Ga(F,X)n polyanions boost Li+-ion transport by weakening Li+-X- interactions via charge clustering. In 2LiBr-GaF3 and 2LiI-GaF3, Ga-X coordination is reduced with decreased F participation, compared to 2LiCl-GaF3. These insights will inform electrolyte design based on charge clustering, applicable to various ion conductors. This strategy could prove effective for producing highly conductive multivalent cation conductors such as Ca2+ and Mg2+, as charge clustering of carboxylates in proteins is found to decrease their binding to Ca2+ and Mg2+.
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