High-Entropy Argyrodite Glass-Ceramic Electrolytes for All-Solid-State Batteries

材料科学 电解质 陶瓷 固态 工程物理 冶金 化学 工程类 电极 物理化学
作者
Jing Lin,Mareen Schaller,Ruizhuo Zhang,Volodymyr Baran,Hao Liu,Ziming Ding,Sylvio Indris,Aleksandr Kondrakov,Torsten Brezesinski,Florian Strauss
出处
期刊:Materials futures [IOP Publishing]
标识
DOI:10.1088/2752-5724/adde76
摘要

Abstract Lithium argyrodite superionic conductors with the general formula Li 6 PS 5 X (X = Cl, Br, I) have been intensively investigated in recent years and further successfully adopted in the field of solid-state batteries (SSBs). The transport properties of argyrodite solid electrolytes usually strongly depend on the degree of occupational disorder. Increasing disorder through complex doping or substitution has been shown to directly affect ionic conductivity. Herein, we explore a high-entropy lithium argyrodite of nominal composition Li 6.6 [P 0.2 Si 0.2 Sn 0.2 Ge 0.2 Sb 0.2 ]S 5 I. This material can be readily prepared by mechanochemistry. Using complementary diffraction techniques, nuclear magnetic resonance spectroscopy, and charge-transport measurements, we show that upon tailoring crystallinity and defect concentration by post-annealing at temperatures up to 220 °C, a high room-temperature ionic conductivity of about 0.9 mS/cm (~4.4 mS/cm bulk conductivity) can be achieved. Both as-prepared and annealed (at 220 °C) samples were also tested in pellet-stack SSB cells. The mechanochemically prepared glass-ceramic solid electrolyte was found to exhibit superior performance, even outperforming commercially available Li 6 PS 5 Cl. Collectively, the results highlight the importance of considering structural aspects on different length scales when optimizing the properties of lithium argyrodites for SSB applications.
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