Synergistic effect of lithium ions for fast diffusion in Li2ZrCl6 solid electrolytes

锂(药物) 电解质 扩散 快离子导体 离子 无机化学 化学 材料科学 电极 物理化学 热力学 有机化学 物理 心理学 精神科
作者
Young Chul Lee,Sung Chul Jung
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier BV]
卷期号:497: 144632-144632 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2024.144632
摘要

Rare-earth metal-free Li2ZrCl6 has recently attracted much attention as a promising solid electrolyte for all-solid-state batteries due to its cost-effectiveness. This first-principles study using van der Waals correction clarifies the Li diffusion mechanism in trigonal α- and monoclinic β-Li2ZrCl6. In the most stable α- and β-Li2ZrCl6 structures obtained from systematic investigations, Li and Zr ions prefer to exist in the same layer, forming two-dimensional Zr/Li layers with Li ions interspersed between ZrCl6 octahedra. When Li ions diffuse in α- and β-Li2ZrCl6, they escape from the Zr/Li layer along the out-of-plane direction and move to the Zr-free layer, where they diffuse freely along the in-plane direction. Thus, Li diffusion in Li2ZrCl6 is characterized by interlayer diffusion between the Zr/Li and Li layers followed by intralayer diffusion in the Li layer. The interlayer/intralayer diffusion, resulting in the highest conductivity of 5.4 × 10−5 S cm−1 for α-Li2ZrCl6, is enabled by a synergistic effect of two Li ions, where one Li ion already present in the Li layer promotes the other adjacent Li ion to escape from the Zr/Li layer. Individual Li ions vibrate at the stable octahedral site for a long time and then quickly jump to another octahedral site via the intermediate tetrahedral site, which is identified as the atomic-scale Li jump process in Li2ZrCl6.
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