Amorphous-Nanocrystalline Fluorinated Halide Electrolytes with High Ionic Conductivity and High-Voltage Stability

化学 纳米晶材料 卤化物 电解质 离子电导率 无定形固体 电导率 离子键合 高压 化学工程 无机化学 电压 有机化学 离子 物理化学 结晶学 电极 物理 量子力学 工程类
作者
Lihai Zhou,Sidong Zhang,Weiping Li,Bing Li,Nicholas S. Grundish,Pengfei Ren,Xuefeng Wang,Nan Wu,Weidong Zhou,Yutao Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c18090
摘要

All-solid-state sodium-ion batteries (ASSSIBs) offer a cost-effective, scalable alternative to rechargeable lithium-ion batteries, but their advancement requires solid electrolytes with high ionic conductivity, wide electrochemical stability, and robust interfacial compatibility. Here, a fluorine-doped halide solid electrolyte (2NaF-ZrCl4, 2-NFZC) featuring an amorphous-nanocrystalline structure with high ionic conductivity (2.35 × 10-4 S cm-1 at 25 °C) and good high-voltage stability is presented. Fluorine doping in 2-NFZC promotes Zr-F bonding with limited Na-F interaction, which facilitates fast Na-ion transport through disordered regions and the NaF/amorphous phase interface. Paired with a NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2 cathode, a Na15Sn4 anode, and a Na3PS4 anode interlayer, the all-solid-state cell with the 2-NFZC electrolyte demonstrates a discharged capacity of 137.1 mAh g-1, 81.1% capacity retention over 600 cycles, and suppressed interfacial side reactions. These findings highlight the potential of fluorine doping in designing advanced solid electrolytes for high-performance all-solid-state Na-ion batteries.
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