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Thermodynamics and Kinetics of the Cathode–Electrolyte Interface in All-Solid-State Li–S Batteries

化学 电解质 动力学 热力学 阴极 固态 化学工程 物理化学 电极 工程类 量子力学 物理
作者
Manas Likhit Holekevi Chandrappa,Ji Qi,Chi Chen,Swastika Banerjee,Shyue Ping Ong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (39): 18009-18022 被引量:43
标识
DOI:10.1021/jacs.2c07482
摘要

Lithium-sulfur batteries (LSBs) are among the most promising energy storage technologies due to the low cost and high abundance of S. However, the issue of polysulfide shuttling with its corresponding capacity fading is a major impediment to its commercialization. Replacing traditional liquid electrolytes with solid-state electrolytes (SEs) is a potential solution. Here, we present a comprehensive study of the thermodynamics and kinetics of the cathode-electrolyte interface in all-solid-state LSBs using density functional theory based calculations and a machine learning interatomic potential. We find that among the major solid electrolyte chemistries (oxides, sulfides, nitrides, and halides), sulfide SEs are generally predicted to be the most stable against the S8 cathode, while the other SE chemistries are predicted to be highly electrochemically unstable. If the use of other SE chemistries is desired for other reasons, several binary and ternary sulfides (e.g., LiAlS2, Sc2S3, Y2S3) are predicted to be excellent buffer layers. Finally, an accurate moment tensor potential to study the S8|β-Li3PS4 interface was developed using an active learning approach. Molecular dynamics (MD) simulations of large interface models (>1000s atoms) revealed that the most stable Li3PS4(100) surface tends to form interfaces with S8 with 2D channels and lower activation barriers for Li diffusion. These results provide critical new insights into the cathode-electrolyte interface design for next-generation all-solid-state LSBs.
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