Theoretical Insights on the Comparison of Li-Ion Conductivity in Halide Superionic Conductors Li 3 MCl 6 , Li 2 M 2/3 Cl 4 , and LiMCl 4 (M = Y, Sc, Al, and Sm)

电解质 卤化物 离子 锂(药物) 离子键合 电导率 电化学 快离子导体 离子电导率 材料科学 离子半径 无机化学 化学 物理化学 电极 内分泌学 医学 有机化学
作者
Fiaz Hussain,Jinlong Zhu,Hui Xia,Yusheng Zhao,Wei Xia
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:126 (31): 13105-13113 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c02511
摘要

Recently, halide materials for solid electrolytes have received modest research interest. A variety of new halide electrolytes, such as Li 3 YCl 6, Li 3 InCl 6, and Li 2 Sc 2/3 Cl 4 halospinel structure, and LiAlCl 4, have been experimentally prepared with high Li-ionic conductivities close to 10 –3 S/cm and low activation energies. Although much effort (experimental and theoretical) has been devoted to uncovering the best combination of Li–M–X, less attention has been paid to the structural effects on the ionic conductivities and electrochemical stabilities. In this article, DFT and AIMD simulations are performed to do a comparative study on several halide electrolytes with selected structures, including the most common rock-salt Li 3 MCl 6, spinel Li 2 M 2/3 Cl 4, and LiMCl 4 . It is revealed that halospinel Li 2 M 2/3 Cl 4 structures with cubic symmetry are three-dimensionally conducting and mechanically stable superionic conductors. They exhibit an excellent Li-ionic conductivity within the range 0.26–19.0 mS/cm with an activation energy lower than 0.20 eV (0.342–0.195 eV). Among them, Li 2 Sm 2/3 Cl 4 is predicted to have an outstanding balance between the ionic conductivity and stability. The room-temperature ionic conductivity is calculated to be as high as 15.3 mS/cm, whereas the band gap and electrochemical stability window vs Li/Li + reach 4.26 V, respectively, making it a promising candidate for practical applications as a superionic conductor in solid-state batteries.
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