Facile Synthesis toward the Optimal Structure-Conductivity Characteristics of the Argyrodite Li6PS5Cl Solid-State Electrolyte

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作者
Chuang Yu,Swapna Ganapathy,J.C.L. Hageman,Lambert van Eijck,Ernst R. H. van Eck,Long Zhang,Tammo K. Schwietert,Shibabrata Basak,Erik M. Kelder,Marnix Wagemaker
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:10 (39): 33296-33306 被引量:162
标识
DOI:10.1021/acsami.8b07476
摘要

The high Li-ion conductivity of the argyrodite Li6PS5Cl makes it a promising solid electrolyte candidate for all-solid-state Li-ion batteries. For future application, it is essential to identify facile synthesis procedures and to relate the synthesis conditions to the solid electrolyte material performance. Here, a simple optimized synthesis route is investigated that avoids intensive ball milling by direct annealing of the mixed precursors at 550 °C for 10 h, resulting in argyrodite Li6PS5Cl with a high Li-ion conductivity of up to 4.96 × 10–3 S cm–1 at 26.2 °C. Both the temperature-dependent alternating current impedance conductivities and solid-state NMR spin–lattice relaxation rates demonstrate that the Li6PS5Cl prepared under these conditions results in a higher conductivity and Li-ion mobility compared to materials prepared by the traditional mechanical milling route. The origin of the improved conductivity appears to be a combination of the optimal local Cl structure and its homogeneous distribution in the material. All-solid-state cells consisting of an 80Li2S–20LiI cathode, the optimized Li6PS5Cl electrolyte, and an In anode showed a relatively good electrochemical performance with an initial discharge capacity of 662.6 mAh g–1 when a current density of 0.13 mA cm–2 was used, corresponding to a C-rate of approximately C/20. On direct comparison with a solid-state battery using a solid electrolyte prepared by the mechanical milling route, the battery made with the new material exhibits a higher initial discharge capacity and Coulombic efficiency at a higher current density with better cycling stability. Nevertheless, the cycling stability is limited by the electrolyte stability, which is a major concern for these types of solid-state batteries.
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