Disorder-Dependent Li Diffusion in Li 6 PS 5 Cl Investigated by Machine-Learning Potential

材料科学 扩散 电解质 快离子导体 固态 物理化学 化学工程 化学物理 热力学 电极 物理 工程类 化学
作者
Jiho Lee,Suyeon Ju,Seungwoo Hwang,J.H. You,Jisu Jung,Youngho Kang,Seungwu Han
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (35): 46442-46453 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acsami.4c08865
摘要

Solid-state electrolytes with argyrodite structures, such as Li 6 PS 5 Cl, have attracted considerable attention due to their superior safety compared to liquid electrolytes and higher ionic conductivity than other solid electrolytes. Although experimental efforts have been made to enhance conductivity by controlling the degree of disorder, the underlying diffusion mechanism is not yet fully understood. Moreover, existing theoretical analyses based on ab initio molecular dynamics (MD) simulations have limitations in addressing various types of disorder at room temperature. In this study, we directly investigate Li-ion diffusion in Li 6 PS 5 Cl at 300 K using large-scale, long-term MD simulations empowered by machine-learning potentials (MLPs). To ensure the convergence of conductivity values within an error range of 10%, we employ a 25 ns simulation using a 5 × 5 × 5 supercell containing 6500 atoms. The computed Li-ion conductivity, activation energies, and equilibrium site occupancies align well with experimental observations. Notably, Li-ion conductivity peaks when Cl ions occupy 25% of the 4c sites rather than at 50% where the disorder is maximized. In addition, Li-ion diffusion shows non-Arrhenius behavior, leading to different activation energies at high temperatures (>400 K). These phenomena are explained by the interplay between inter- and intracage jumps. By elucidation of the key factors affecting Li-ion diffusion in Li 6 PS 5 Cl, this work paves the way for optimizing ionic conductivity in the argyrodite family.
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