Congener Substitution Reinforced Li7P2.9Sb0.1S10.75O0.25 Glass-Ceramic Electrolytes for All-Solid-State Lithium–Sulfur Batteries

材料科学 法拉第效率 电解质 电化学 离子电导率 电化学窗口 陶瓷 化学稳定性 电导率 掺杂剂 晶体结构 化学工程 快离子导体 物理化学 结晶学 兴奋剂 冶金 电极 化学 工程类 光电子学
作者
Bosheng Zhao,Lu Wang,Peng Chen,Sheng Liu,Guoran Li,Ning Xu,Mengtao Wu,Xueping Gao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (29): 34477-34485 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acsami.1c10238
摘要

Glass-ceramic sulfide solid electrolytes like Li7P3S11 are practicable propellants for safe and high-performance all-solid-state lithium–sulfur batteries (ASSLSBs); however, the stability and conductivity issues remain unsatisfactory. Herein, we propose a congener substitution strategy to optimize Li7P3S11 as Li7P2.9Sb0.1S10.75O0.25 via chemical bond and structure regulation. Specifically, Li7P2.9Sb0.1S10.75O0.25 is obtained by a Sb2O5 dopant to achieve partial Sb/P and O/S substitution. Benefiting from the strengthened oxysulfide structural unit of POS33– and P2OS64– with bridging oxygen atoms and a distorted lattice configuration of the Sb–S tetrahedron, the Li7P2.9Sb0.1S10.75O0.25 electrolyte exhibits prominent chemical stability and high ionic conductivity. Besides the improved air stability, the ionic conductivity of Li7P2.9Sb0.1S10.75O0.25 could reach 1.61 × 10–3 S cm–1 at room temperature with a wide electrochemical window of up to 5 V (vs Li/Li+), as well as good stability against Li and Li–In alloy anodes. Consequently, the ASSLSB with the Li7P2.9Sb0.1S10.75O0.25 electrolyte shows high discharge capacities of 1374.4 mAh g–1 (0.05C, 50th cycle) at room temperature and 1365.4 mAh g–1 (0.1C, 100th cycle) at 60 °C. The battery also presents remarkable rate performance (1158.3 mAh g–1 at 1C) and high Coulombic efficiency (>99.8%). This work provides a feasible technical route for fabricating ASSLSBs.
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