Effects of Fluorine Doping on Structural and Electrochemical Properties of Li6.25Ga0.25La3Zr2O12 as Electrolytes for Solid-State Lithium Batteries

材料科学 电化学 兴奋剂 无机化学 电极 分析化学(期刊) 物理化学 冶金 化学 光电子学 色谱法
作者
Yao Lu,Xiaoyi Meng,J. A. Alonso,M. T. Fernández‐Díaz,Chunwen Sun
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (2): 2042-2049 被引量:115
标识
DOI:10.1021/acsami.8b17656
摘要

Solid-state lithium batteries (SSLBs) are promising technologies with great potential in improving safety and energy density, compared with the traditional liquid based lithium ion batteries. However, the bottleneck of SSLBs lies in the issues of poor interface contact and low electrolyte conductivity. In this work, the crystal structure of garnet-type Li6.25Ga0.25La3Zr2O12 (LGLZO) was engineered more rigidly with subdued atoms displacement by fluorine doping and thus smoother and faster lithium ion diffusion paths are formed. The ionic conductivity of garnet-type electrolyte is significantly increased from 5.43 × 10-4 S/cm to 1.28 × 10-3 S/cm at 25 °C and the activation energy is reduced from 0.33 to 0.28 eV. The solid-state symmetric cell consisting of F doped Li6.25Ga0.25La3Zr2O12 electrolyte and lithium metal has lower resistance and displays stable lithium plating/stripping for over 650 h with smaller overpotentials than those on LGLZO electrolyte. Moreover, the all solid-state lithium battery with F-LGLZO electrolyte and LiFePO4 composite electrode exhibits an improved rate capability, which can still keep 132.9 mAh/g at 1 C. Fluorine substitution in garnet-type electrolyte opens new avenues to design new solid-state electrolytes for practical applications of SSLBs.
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