Enhancing Ionic Conductivity and Electrochemical Stability of Li3PS4 via Zn, F Co-Doping for All-Solid-State Li–S Batteries

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作者
Yuan Gao,Jing Gao,Zhibin Zhang,Yue Wu,Xiaolin Sun,Fuhua Zhao,Yuan Zhang,Depeng Song,Wenyan Si,Qing Zhao,Xun Yuan,Jianfei Wu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (15): 18843-18854 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsami.4c00358
摘要

Sulfide solid-state electrolytes have garnered considerable attention owing to their notable ionic conductivity and mechanical properties. However, achieving an electrolyte characterized by both high ionic conductivity and a stable interface between the electrode and electrolyte remains challenging, impeding its widespread application. In this work, we present a novel sulfide solid-state electrolyte, Li3.04P0.96Zn0.04S3.92F0.08, prepared through a solid-phase reaction, and explore its usage in all-solid-state lithium sulfur batteries (ASSLSBs). The findings reveal that the Zn, F co-doped solid-state electrolyte exhibits an ionic conductivity of 1.23 × 10-3 S cm-1 and a low activation energy (Ea) of 9.8 kJ mol-1 at room temperature, illustrating the aliovalent co-doping's facilitation of Li-ion migration. Furthermore, benefiting from the formation of a LiF-rich interfacial layer between the electrolyte and the Li metal anode, the Li/Li3.04P0.96Zn0.04S3.92F0.08/Li symmetrical cell exhibits critical current densities (CCDs) of up to 1 mA cm-2 and maintains excellent cycling stability. Finally, the assembled ASSLSBs exhibit an initial discharge capacity of 1295.7 mAh g-1 at a rate of 0.05 C and at room temperature. The cell maintains a capacity retention of 70.5% for more than 600 cycles at a high rate of 2 C, representing a substantial improvement compared to the cell with Li3PS4. This work provides a new idea for the design of solid-state electrolytes and ASSLSBs.
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