Amorphous Oxyhalide Matters for Achieving Lithium Superionic Conduction

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作者
Shumin Zhang,Feipeng Zhao,Lo‐Yueh Chang,Yu‐Chun Chuang,Zhen Zhang,Yuanmin Zhu,Xiaoge Hao,Jiamin Fu,Jiatang Chen,Jing Luo,Minsi Li,Yingjie Gao,Yining Huang,Tsun‐Kong Sham,Meng Gu,Yuanpeng Zhang,Graham King,Xueliang Sun
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (5): 2977-2985 被引量:125
标识
DOI:10.1021/jacs.3c07343
摘要

The recently surged halide-based solid electrolytes (SEs) are great candidates for high-performance all-solid-state batteries (ASSBs), due to their decent ionic conductivity, wide electrochemical stability window, and good compatibility with high-voltage oxide cathodes. In contrast to the crystalline phases in halide SEs, amorphous components are rarely understood but play an important role in Li-ion conduction. Here, we reveal that the presence of amorphous component is common in halide-based SEs that are prepared via mechanochemical method. The fast Li-ion migration is found to be associated with the local chemistry of the amorphous proportion. Taking Zr-based halide SEs as an example, the amorphization process can be regulated by incorporating O, resulting in the formation of corner-sharing Zr-O/Cl polyhedrons. This structural configuration has been confirmed through X-ray absorption spectroscopy, pair distribution function analyses, and Reverse Monte Carlo modeling. The unique structure significantly reduces the energy barriers for Li-ion transport. As a result, an enhanced ionic conductivity of (1.35 ± 0.07) × 10-3 S cm-1 at 25 °C can be achieved for amorphous Li3ZrCl4O1.5. In addition to the improved ionic conductivity, amorphization of Zr-based halide SEs via incorporation of O leads to good mechanical deformability and promising electrochemical performance. These findings provide deep insights into the rational design of desirable halide SEs for high-performance ASSBs.
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