Li-Rich and Halide-Deficient Argyrodite Fast Ion Conductors

卤化物 离子电导率 电导率 离子 卤素 离子键合 电化学 无机化学 化学 物理化学 电解质 有机化学 电极 烷基
作者
Laidong Zhou,Qiang Zhang,Linda F. Nazar
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:34 (21): 9634-9643 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.2c02343
摘要

We report on a new family of halide-deficient and Li-rich argyrodite fast-ion conductors, Li6+xPS5+x(Cl/Br/I)1–x (0 ≤ x ≤ 0.85). Exploration of the influence of aliovalent anion substitution in Li6PS5X (X = Cl, Br, I)─using a combination of high-resolution powder neutron diffraction and electrochemical impedance spectroscopy─reveals that aliovalent anion substitution induces higher Li-ion concentration and Li site disorder, and creates S2–/I– anion site disorder on the 4a site. In the series Li6+xPS5+xI1–x (0 ≤ x ≤ 0.4), the resulting conductivity for Li6.4PS5.4I0.6 (0.13 mS·cm–1) represents almost a 100-fold increase over that of the parent phase, Li6PS5I (0.0033 mS·cm–1), and establishes one of the first fast-ion conducting argyrodite thiophosphate iodides. For Cl-argyrodites, the ionic conductivity decreases a little with lower halide-content but ionic conductivity for the Br-argyrodites is almost unchanged. Overall, all Cl/Br-argyrodites Li6+xPS5+x(Cl/Br)1–x (0 ≤ x ≤ 0.75) with a low halide content exhibit surprisingly high ionic conductivities > 1 mS·cm–1 despite a very low degree of sulfur/halogen anion site disorder. Our findings highlight the importance of attaining a disordered Li-ion sublattice and sulfur/halogen anion site disorder (anionic charge homogeneity) in argyrodites, where Li ions occupy high energy sites and activate concerted ion migration that drives the ionic conductivity.
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