Highly Conductive Iodine and Fluorine Dual-Doped Argyrodite Solid Electrolyte for Lithium Metal Batteries

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作者
William Arnold,Varun Shreyas,Sharmin Akter,Yang Li,Selim Halacoglu,Milinda Bharatha Kalutara Koralalage,Xiaolin Guo,Dinushika Vithanage,Wei Wei,Gamini Sumanasekera,Jacek B. Jasiński,Badri Narayanan,Hui Wang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (25): 11801-11809 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c00962
摘要

Sulfide-type argyrodite solid electrolytes (SEs) with halide doping have attracted serious interest. Although other halides such as Cl and Br have been found to enhance Li-ion transport in argyrodites, the direct synthesis of efficiently conductive Li 6 PS 5 I without postprocessing has rarely been investigated. In this work, we report the one-step synthesis of highly conductive Li 6 PS 5 I with an impressive ionic conductivity of 2.5 × 10 –4 S cm –1 at room temperature through a solvent-based method. Moreover, by introducing F – to partially replace I –, hybrid-doped argyrodites Li 6 PS 5 F x I 1– x ( x = 0.25, 0.5, 0.75) have been synthesized. Li 6 PS 5 F 0.25 I 0.75 achieves the highest conductivity of 3.5 × 10 –4 S cm –1 due to the energetic preference for anion-disordering among F – /I – and S 2–, which facilitate faster Li transport as supported by density functional theory (DFT) calculations. With higher F content in argyrodites, Li 6 PS 5 F 0.75 I 0.25 displays the best electrochemical stability toward Li metal, as evidenced by long-term stable cycling in Li symmetric cells up to 1100 h. Solid-state Li metal batteries with an active cathode of Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) display an initial specific capacity of 140 mAh g –1 and remain at 105 mAh g –1 after 200 cycles, suggesting great battery cycling performance. This research has developed new compositions in the argyrodite SE family which could lead to advancements in the development of solid-state Li metal batteries.
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