A Lithium Superionic Conductor Softened by Nonmetal-Chlorine Chemical Bonds

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作者
Hao-Yuan Tan,Jin‐Da Luo,Limin Liu,Chen-Peng Luo,Xiao-Bin Cheng,Zhen-Tao Ma,Zhangqin Shi,Yuan Wang,Zi-Wei Wang,Xu Hao,Chuan Wan,Limin Sun,Ke Gong,Linjun Wang,Longlong Fan,Shuhong Jiao,Xusheng Zheng,Zheng Liang,Yi-Chen Yin,Hong‐Bin Yao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c01556
摘要

All-solid-state lithium batteries (ASSLBs) offer improved energy density and safety over traditional liquid-electrolyte systems. However, their practical use is limited by the rigidity of inorganic lithium superionic conductors, which require impractically high stack pressures (>50 MPa) to maintain close solid–solid contacts during cycling. We introduce the idea of incorporating nonmetal-chlorine chemical bonds into the conductive network to make rigid conductors more flexible. Because nonmetal-chlorine chemical bonds (e.g., P–Cl, Si–Cl) exhibit low bond dissociation energies, they can undergo facile rotation and torsion, thereby facilitating Li + migration and framework deformability. A liquid SiCl 4 activation method is developed to introduce these chemical bonds, yielding a soft superionic conductor, Li 3 P 0.58 Si 1.25 Zr 1.78 Cl 10.86 O 3.58 . This material shows a high room-temperature Li + conductivity of 4.55 mS cm –1 and a low Young’s modulus of 2.09 GPa. This combination enables over 3000 cycles of ultrahigh-nickel cathode LiNi 0.92 Co 0.05 Mn 0.03 O 2 at a high current density of 3 mA cm –2, and even allows for stable operation of ASSLBs with no capacity decay after 300 cycles under a low stack pressure of 5 MPa, much lower than the usual 50 MPa needed for most inorganic superionic conductors. Additionally, this chemical-bond-tuning method works with various nonmetal centers (P, Si, C, S), providing a flexible strategy for designing deformable superionic conductors suitable for low-pressure ASSLBs.
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