High-Conductivity Li 2 ZrCl 6 Electrolytes via an Optimized Two-Step Ball-Milling Method for All-Solid-State Lithium–Metal Batteries

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作者
Juntao Shi,Zhujun Yao,Jiayuan Xiang,Chen Cai,Fangfang Tu,Yongqi Zhang,Weilin Yao,Qixiang Jia,Yan Zhou,Shenghui Shen,Yefeng Yang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:12 (5): 2009-2017 被引量:65
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c06652
摘要

The combined advantages of good mechanical deformability, high Li + conductivity, and strong compatibility with 4 V-class cathodes make halide solid-state electrolytes promising candidates for high-energy all-solid-state lithium–metal batteries (ASSLMBs). Among these, the cost-effective Li 2 ZrCl 6 has garnered significant attention due to the non-inclusion of rare-earth metals. However, the conventional one-step ball-milling synthesized Li 2 ZrCl 6 always exhibits an ionic conductivity lower than 5 × 10 –4 S cm –1 in most literature. Here, a simple optimized two-step ball-milling strategy is adopted to achieve a high Li + conductivity of nearly 1 × 10 –3 S cm –1 at 30 °C for Li 2 ZrCl 6 . Simultaneously, the effects of rotational speed and ball-to-powder mass ratio on the structure and ionic conductivity of Li 2 ZrCl 6 are investigated. The Li + migration pathways in electrolytes are also studied by bond valence site energy (BVSE) calculations. Moreover, the application potential of the modified Li 2 ZrCl 6 electrolyte in ASSLMBs assembled with the LiCoO 2 cathode and the lithium–indium alloy anode has been studied. The ASSLMBs exhibit an initial discharge capacity of 123.4 mA h g –1 at room temperature (0.1 C) and a capacity retention of 71% after 50 cycles. Therefore, this study introduces an effective strategy for synthesizing high-performance halide electrolytes, thus facilitating the practical implementation of halide-based ASSLMBs.
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