Discovery of high entropy garnet solid-state electrolytes via ultrafast synthesis

五元 材料科学 熵(时间箭头) 粒度 工程物理 热力学 计算机科学 冶金 合金 物理 操作系统
作者
Yitian Feng,Lin Yang,Zihan Yan,Daxian Zuo,Zhewen Zhu,Lin Zeng,Yizhou Zhu,Jiayu Wan
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:63: 103053-103053 被引量:65
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.103053
摘要

Multi-elemental functional oxides are crucial for addressing global energy challenges. High entropy oxides (HEO) represent an emerging class of such materials with exceptional performance, attracting significant attention in energy research. However, the concept of high entropy exponentially expands the exploration space of related materials, making the design and discovery of high-performance HEO a challenging task. The synthesis of HEO through a highly efficient and reproducible manner is urgently needed to understand their structure-property relations and develop high-performance materials. In this study, we achieved the ultrafast synthesis of high-entropy garnet Li7+a-c-2dLa3(A3+aB4+bC5+cD6+d)O12 (A=Sc, Y, Bi; B=Zr, Mo, Sn, Te, Hf; C=Nb, Sb, Ta; D=W) in merely tens of seconds. Among the various garnets ranging from unary-garnet to denary-garnet, the quinary-garnet (Li6.6La3Zr0.4Sn0.4Sc0.4Ta0.4-Nb0.4O12) exhibits the highest ionic conductivity (3.57 × 10−4 S cm−1) and low electronic conductivity (5.26 × 10−9 S cm−1), with a high critical current density (2.4 mA cm−2) in symmetrical cells. Furthermore, via high-throughput screening of the garnet family, we discover the entropy-stabilization effect, where the synthesized garnet products are gradually stabilized into the desired pure cubic phase with increased configuration entropy. Our work demonstrates a significant step towards the rapid and accurate discovery of high-performance energy materials in the vast multi-elemental material space.
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