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在立方尖晶石卤化物固体电解质中使用高价阳离子提高锂导电性。

Enhancing Lithium Conductivity Using High-Valence Cations in Cubic Spinel Halide Solid Electrolytes.

作者信息

Jeon Taegon, Jung Sung Chul

机构信息

Department of Physics, Pukyong National University, Busan 48513, Republic of Korea.

出版信息

ACS Appl Mater Interfaces. 2024 Sep 11;16(36):47443-47453. doi: 10.1021/acsami.4c07798. Epub 2024 Aug 30.

DOI:10.1021/acsami.4c07798
PMID:39213607
Abstract

Halide solid electrolytes for all-solid-state batteries have recently emerged as competitors to oxide and sulfide solid electrolytes due to their excellent electrochemical properties. This ab initio study unveils the dynamic nature of LiScCl, a rare superionic conductor among cubic spinel halide materials. Li ions in LiScCl prefer to occupy some of the tetrahedral 8a, octahedral 16c, and octahedral 16d sites, leading to disordered Li distribution. Li ions in LiScCl diffuse through the single-ion diffusion mechanism rather than the concerted diffusion mechanism, providing a high conductivity of 1.36 mS cm. Li ions at the 16d site diffuse as actively as those at the 8a/16c site, an unexpected result that runs counter to the conventional view. In LiMgCl, the same cubic spinel as LiScCl, Li ions at the 8a/16c site diffuse actively, but those at the 16d site are almost immobile, resulting in a very low conductivity of 5.3 × 10 mS cm. The extremely higher conductivity in LiScCl than in LiMgCl is because the concentration of Sc/Mg cations blocking the movement of Li ions at the 16d site is lower in LiScCl than in LiMgCl. Designing cubic spinel materials containing high-valence cations is proposed as a way to increase conductivity by reducing the concentration of multivalent cations that impede Li diffusion. This study sheds new light on how to control conductivity using site-dependent Li mobility in solid electrolytes.

摘要

用于全固态电池的卤化物固体电解质由于其优异的电化学性能,最近已成为氧化物和硫化物固体电解质的竞争对手。这项从头算研究揭示了LiScCl的动态性质,LiScCl是立方尖晶石卤化物材料中一种罕见的超离子导体。LiScCl中的锂离子倾向于占据一些四面体8a、八面体16c和八面体16d位点,导致锂分布无序。LiScCl中的锂离子通过单离子扩散机制而不是协同扩散机制扩散,提供了1.36 mS cm的高电导率。16d位点的锂离子与8a/16c位点的锂离子扩散活性一样高,这一意外结果与传统观点相悖。在与LiScCl相同的立方尖晶石LiMgCl中,8a/16c位点的锂离子扩散活跃,但16d位点的锂离子几乎不动,导致电导率非常低,为5.3×10 mS cm。LiScCl的电导率比LiMgCl高得多,是因为在LiScCl中,在16d位点阻挡锂离子移动的Sc/Mg阳离子浓度比LiMgCl中的低。提出设计含有高价阳离子的立方尖晶石材料,作为通过降低阻碍锂扩散的多价阳离子浓度来提高电导率的一种方法。这项研究为如何利用固体电解质中位点依赖性锂迁移率来控制电导率提供了新的思路。

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