Experimental and Theoretical Insights Into Synergistic Sn‐N Co‐Doping Enhancing Air Stability and Interfacial Compatibility of Li5.5PS4.5Cl1.5 Electrolytes for All‐Solid‐State Lithium Metal Batteries

材料科学 电化学 密度泛函理论 兴奋剂 电解质 电导率 化学工程 锂(药物) 离子电导率 离子键合 物理化学 离子 化学 电极 计算化学 光电子学 有机化学 工程类 内分泌学 医学
作者
Kun Zeng,Xuebao Li,Chao Zhao,Jiasen Wang,Dezhi Wang,Zhuangzhi Wu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:21 (39): e07465-e07465
标识
DOI:10.1002/smll.202507465
摘要

Abstract Chlorine‐rich argyrodite sulfide solid‐state electrolytes (SSEs) have risen as prime candidates for all‐solid‐state lithium batteries (ASSLBs) owing to their superior ionic conductivity and exceptional ductility. Nevertheless, the vile Li incompatibility and moisture sensitivity restrict their commercial applications. Herein, a novel Li 5.6 PSn 0.05 S 4.3 N 0.2 Cl 1.5 electrolyte is synthesized via a hetero‐pretreated Sn/ N co‐doping strategy. The impact of these two elements on the air stability and electrochemical performance is rigorously validated in combination with the first‐principles density functional theory (DFT) calculation and the ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations. With optimal elemental substitutions, Li 5.65 P 0.95 Sn 0.05 S 4.5 Cl 1.5 achieves a high ionic conductivity of 9.54 mS cm −1 along with remarkable anti‐hydrolysis properties. The generation of a Li–Sn alloy at the Li/SSEs interface significantly reduces the Li + migration barrier and promotes uniform lithium deposition. Moreover, the in situ formation of Li 3 N within Li 5.7 PS 4.3 N 0.2 Cl 1.5 effectively facilitates Li + migration. Under the synergistic effect of Sn/N, Li 5.6 PSn 0.05 S 4.3 N 0.2 Cl 1.5 endows an admirable critical current density of 1.53 mA cm −2 and splendid cycling performance (900 h at 0.1 mA cm −2 ) in lithium symmetric cells. Additionally, ASSLBs fabricated with Li 5.6 PSn 0.05 S 4.3 N 0.2 Cl 1.5 reveal satisfactory cycling stability both at room temperature and elevated temperature (50 °C). This study paves the way for advancing the development of Li‐compatibility and moisture‐resistant SSEs.
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