Suppressing argyrodite oxidation by tuning the host structure for high areal capacity all-solid-state lithium-sulfur batteries

材料科学 硫黄 锂(药物) 固态 锂硫电池 化学工程 电化学 化学 电极 冶金 工程类 物理化学 医学 内分泌学
作者
Linda F. Nazar,Zhuo Yu,Yue Yu,Baltej Singh
出处
期刊:Research Square - Research Square 被引量:1
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-3784574/v1
摘要

Abstract Sulfide-based solid catholytes such as argyrodite (Li6PS5Cl) are promising materials for high-performance solid-state sulfur cells that operate on the reversible conversion of S ↔ Li2S. However, the electrochemical decomposition of argyrodite above 2.5 V vs Li+/Li causes its progressive degradation in the operating window of the cell, because the free S2- ions in Li6PS5Cl are oxidized to sulfur at a similar potential as Li2S. Here we demonstrate that – in addition to regulating the local electronic contact - creating a strong interaction between the Li-ions in argyrodite and the sulfur host synergistically suppresses oxidation of the argyrodite by inhibiting the first step in the pathway. A carbon nitride/N-doped graphene host serves as proof-of-concept to demonstrate this effect. Additionally, its moderate electron transport easily supports operation of all-solid-state lithium-sulfur batteries but constrains electron mobility at the interface with argyrodite. As a consequence, all-solid-state lithium-sulfur batteries utilizing this host material deliver superior rate capability and stable long-term cycling compared to non-polar conductive carbon materials. An areal capacity of 2 mAh cm-2 was achieved over 230 cycles at room temperature, while a high capacity of 11.3 mAh cm-2 was obtained with 90% retention at elevated temperature (60 °C). The newly presented descriptors in this work enrich the understanding of solid electrolyte redox activities and guide the interface and material design in all-solid-state lithium-sulfur batteries.
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