High-Entropy Laminates with High Ion Conductivities for High-Power All-Solid-State Lithium Metal Batteries

化学 法拉第效率 阳极 电解质 离子电导率 锂(药物) 磷酸钒锂电池 化学工程 无机化学 物理化学 电极 医学 工程类 内分泌学
作者
Qi Zhao,Zhenjiang Cao,Xingguo Wang,Hao Chen,Yu Shi,Zongju Cheng,Yu Guo,Bin Li,Yongji Gong,Zhiguo Du,Shubin Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (39): 21242-21252 被引量:52
标识
DOI:10.1021/jacs.3c04279
摘要

Solid-state electrolytes (SSEs) are crucial to high-energy-density lithium metal batteries, but they commonly suffer from slow Li+ transfer kinetics and low mechanical strength, severely hampering the application for all-solid-state batteries. Here, we develop a two-dimensional (2D) high-entropy lithium-ion conductor, lithium-containing transition-metal phosphorus sulfide, HE-LixMPS3 (Lix(Fe1/5Co1/5Ni1/5Mn1/5Zn1/5)PS3) with five transition-metal atoms and lithium ions (Li+) dispersed into [P2S6]2- framework layers, exhibiting high lattice distortions and a large amount of cation vacancies. Such unique features enable to efficiently accelerate the migration of Li+ in 2D [P2S6]2- interlamination, delivering a high ionic conductivity of 5 × 10-4 S cm-1 at room temperature. Moreover, the HE-LixMPS3 laminate can be employed as a building block to construct an ultrathin SSE film (∼10 μm) based on strong C-S bonding between HE-LixMPS3 and nitrile-butadiene rubber. The SSE film delivers a strong mechanical robustness (6.0 MPa, 310% elongation) and a high ionic conductivity of 4 × 10-4 S cm-1, showing a long cycle stability of 800 h in lithium symmetric cells. Coupled with LiFePO4 cathode and lithium anode, the all-solid-state battery presents a high Coulombic efficiency of 99.8% within 2000 cycles at 5.0 C.
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