Solvent-Mediated Synthesis of Amorphous Li3PS4/Polyethylene Oxide Composite Solid Electrolytes with High Li+ Conductivity

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作者
Ethan C. Self,Zachary D. Hood,Teerth Brahmbhatt,Frank M. Delnick,Harry M. Meyer,Guang Yang,Jennifer L. M. Rupp,Jagjit Nanda
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:32 (20): 8789-8797 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.0c01990
摘要

Solvent-mediated routes have emerged as an effective, scalable, and low-temperature method to fabricate sulfide-based solid-state electrolytes. However, tuning the synthesis conditions to optimize the electrolyte’s morphology, structure, and electrochemical properties is still underexplored. Here, we report a new class of composite solid electrolytes (SEs) containing amorphous Li<sub>3</sub>PS<sub>4</sub> synthesized in situ with a poly(ethylene oxide) (PEO) binder using a one-pot, solvent-mediated route. The solvent and thermal processing conditions have a dramatic impact on the Li<sub>3</sub>PS<sub>4</sub> structure. Conducting the synthesis in tetrahydrofuran resulted in crystalline β-Li<sub>3</sub>PS<sub>4</sub> whereas acetonitrile led to amorphous Li<sub>3</sub>PS<sub>4</sub>. Annealing at 140 °C increased the Li<sup>+</sup> conductivity of an amorphous composite (Li<sub>3</sub>PS<sub>4</sub> + 1 wt % PEO) by 3 orders of magnitude (e.g., from 4.5 × 10<sup>–9</sup> to 8.4 × 10<sup>–6</sup> S/cm at room temperature) because of: (i) removal of coordinated solvent and (ii) rearrangement of the polyanionic network to form P<sub>2</sub>S<sub>7</sub><sup>4–</sup> and PS<sub>4</sub><sup>3–</sup> moieties. The PEO content in these composites should be limited to 1–5 wt % to ensure reasonable Li+ conductivity (e.g., up to 1.1 × 10<sup>–4</sup> S/cm at 80 °C) while providing enough binder to facilitate scalable processing. Here, the results of this study highlight a new strategy to suppress crystallization in sulfide-based SEs, which has important implications for solid-state batteries.
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