Rare Earth Metal Ion‐Doped Halide Solid Electrolytes plus Ta5+ Substitution for Long Cycling All‐Solid‐State Batteries

材料科学 卤化物 自行车 固态 兴奋剂 电解质 稀土 离子 金属 无机化学 电极 物理化学 冶金 光电子学 有机化学 化学 考古 历史
作者
Qixiang Jia,Zhujun Yao,Jiayuan Xiang,Juntao Shi,Yan Zhou,Jianhao Huang,Hongliang Zhang,Xiaoxiao Zhang,Yefeng Yang,Jiangping Tu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (22) 被引量:34
标识
DOI:10.1002/adfm.202426053
摘要

Abstract Li 2 ZrCl 6 (LZC) solid electrolyte has been recognized as a promising candidate for all‐solid‐state batteries (ASSBs), owing to its remarkable compatibility with high‐voltage cathodes and the cost advantage among halide electrolytes. However, the ionic conductivity of LZC (≈0.4 mS cm −1 ) requires enhancement. Herein, rare earth metal elements (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Y) have been doped into LZC, resulting in a doubling of the ionic conductivity. Moreover, Ta 5+ is utilized to further modulate the concentration of Li + to enhance the ionic conductivity and reduce the dosage of expensive rare‐earth metal. Using the Li‐Zr‐Dy‐Cl component as a case study, 16 types of Dy 3+ and Ta 5+ co‐doped electrolytes have been synthesized and the optimal Li 2.1 Zr 0.8 Dy 0.15 Ta 0.05 Cl 6 (LZDTC) exhibits the ionic conductivity of 1.67 mS cm −1 . Three‐dimensional Li‐ion transport pathways in LZDTC has been revealed. The dual‐substitution of Dy and Ta at Zr site changes length of Li‐Cl bond and Li occupation, thereby reducing the resistance to Li + migration. ASSBs of Li‐In/LGPS‐LZDTC/NCM811 demonstrate a capacity of 117 mA h g −1 after 500 cycle at 0.5 C with a 74% retention rate, highlighting the effectiveness of the dual‐doping strategy for creating superionic conductors for ASSBs.
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