Liquid‐Like Li‐Ion Conduction in Oxides Enabling Anomalously Stable Charge Transport across the Li/Electrolyte Interface in All‐Solid‐State Batteries

电解质 材料科学 离子电导率 化学物理 快离子导体 离子 热传导 价(化学) 离子键合 离子液体 电导率 离子运输机 氧化物 电极 物理化学 化学 有机化学 复合材料 冶金 催化作用
作者
Jian‐Fang Wu,Zheyi Zou,Bowei Pu,Lukas Ladenstein,Shen Lin,Wenjing Xie,Li Shen,Bing He,Yameng Fan,Wei Kong Pang,Martin Wilkening,Xin Guo,Chaohe Xu,Tao Zhang,Siqi Shi,Jilei Liu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (40) 被引量:12
标识
DOI:10.1002/adma.202303730
摘要

The softness of sulfur sublattice and rotational PS4 tetrahedra in thiophosphates result in liquid-like ionic conduction, leading to enhanced ionic conductivities and stable electrode/thiophosphate interfacial ionic transport. However, the existence of liquid-like ionic conduction in rigid oxides remains unclear, and modifications are deemed necessary to achieve stable Li/oxide solid electrolyte interfacial charge transport. In this study, by combining the neutron diffraction survey, geometrical analysis, bond valence site energy analysis, and ab initio molecular dynamics simulation, 1D liquid-like Li-ion conduction is discovered in LiTa2 PO8 and its derivatives, wherein Li-ion migration channels are connected by four- or five-fold oxygen-coordinated interstitial sites. This conduction features a low activation energy (0.2 eV) and short mean residence time (<1 ps) of Li ions on the interstitial sites, originating from the Li-O polyhedral distortion and Li-ion correlation, which are controlled by doping strategies. The liquid-like conduction enables a high ionic conductivity (1.2 mS cm-1 at 30 °C), and a 700 h anomalously stable cycling under 0.2 mA cm-2 for Li/LiTa2 PO8 /Li cells without interfacial modifications. These findings provide principles for the future discovery and design of improved solid electrolytes that do not require modifications to the Li/solid electrolyte interface to achieve stable ionic transport.
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