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Probing Lanthanide Dynamics and Structural Symmetry in Halide Solid Electrolytes

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作者
Fiaz Hussain,Wenhao Wu
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsaem.6c00486
摘要

The search for appropriate solid electrolytes is central to the development of all-solid-state batteries (ASSBs), in which halide solid-state-electrolytes (HSSEs) have recently emerged as promising candidates. HSSEs exhibit a variety of structural chemistries such as cubic spinel (Fd3 – m) and monoclinic (C2/m) with cubic close packing (ccp) anion arrangements. The trigonal (P3 – m1) and orthorhombic (Pnma) have hexagonal close packing (hcp) arrangements, while the UCl 3 -type structure (P6 3 /m) with tricapped trigonal prisms offers a unique framework lattice arrangement. Among key design parameters, the choice of M 3+ cations such as Y, Sc, In, and especially lanthanides critically influences structural stability, Li-ion transport, and cost. In particular, lanthanide cations present unique chemical behavior due to the lanthanide contraction, which remains underexplored in Li 3 MCl 6 . Here, density functional theory and ab initio molecular dynamics simulations are performed to investigate the effects of M 3+ cation selection, covering the entire lanthanide series, on the structural, electrochemical, and transport properties of Li 3 MCl 6 phases. Our results reveal that the lanthanide contraction trend is not strictly followed, with certain cations (Ce, Eu, Gd, Yb) deviating from the ideal trend despite nominal 3+ valency. These deviations can arise from electronic structure effects such as 4f electron localization, mixed valence tendencies, and local structural distortions, which lead to reduced coordination numbers. The polarizability of halide anions (X = Cl, Br, I) also influences reduction potential and electrochemical stability. Among studied phases, the monoclinic C2/m structure with intrinsic Li vacancies shows superior thermodynamic stability, while the UCl 3 -type LiSm 0.83 Nd 0.83 Cl 6 phase demonstrates high ionic conductivity of 8 mS cm −1 at room temperature with an activation energy of 0.26 eV. These theoretical insights provide fundamental understanding for designing HSSEs for next-generation ASSBs.
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