A stable cathode-solid electrolyte composite for high-voltage, long-cycle-life solid-state sodium-ion batteries

材料科学 电解质 阳极 法拉第效率 阴极 电化学 氧化物 离子电导率 快离子导体 化学工程 复合数 电极 化学 复合材料 冶金 物理化学 工程类
作者
Erik A. Wu,Somesh Banerjee,Hanmei Tang,Peter M. Richardson,Jean-Marie Doux,Ji Qi,Zhuoying Zhu,Antonin Grenier,Yixuan Li,Enyue Zhao,Grayson Deysher,Elias Sebti,Han Nguyen,Ryan M. Stephens,G. Verbist,Karena W. Chapman,Raphaële J. Clément,Abhik Banerjee,Ying Shirley Meng,Shyue Ping Ong
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:12 (1) 被引量:100
标识
DOI:10.1038/s41467-021-21488-7
摘要

Rechargeable solid-state sodium-ion batteries (SSSBs) hold great promise for safer and more energy-dense energy storage. However, the poor electrochemical stability between current sulfide-based solid electrolytes and high-voltage oxide cathodes has limited their long-term cycling performance and practicality. Here, we report the discovery of the ion conductor Na3-xY1-xZrxCl6 (NYZC) that is both electrochemically stable (up to 3.8 V vs. Na/Na+) and chemically compatible with oxide cathodes. Its high ionic conductivity of 6.6 × 10-5 S cm-1 at ambient temperature, several orders of magnitude higher than oxide coatings, is attributed to abundant Na vacancies and cooperative MCl6 rotation, resulting in an extremely low interfacial impedance. A SSSB comprising a NaCrO2 + NYZC composite cathode, Na3PS4 electrolyte, and Na-Sn anode exhibits an exceptional first-cycle Coulombic efficiency of 97.1% at room temperature and can cycle over 1000 cycles with 89.3% capacity retention at 40 °C. These findings highlight the immense potential of halides for SSSB applications.
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