Li+ conduction in aliovalent-substituted monoclinic Li2ZrCl6 for all-solid-state batteries: Li2+xZr1-xMxCl6 (M = In, Sc)

结构精修 中子衍射 材料科学 快离子导体 价(化学) 离子电导率 单斜晶系 固溶体 电化学 结晶学 晶体结构 化学 物理化学 冶金 电解质 有机化学 电极
作者
Hiram Kwak,Daseul Han,Jun Pyo Son,Jong Seok Kim,Juhyoun Park,Kyung‐Wan Nam,Hyungsub Kim,Yoon Seok Jung
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:437: 135413-135413 被引量:87
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.135413
摘要

Newly emerging halide superionic conductors with excellent (electro)chemical oxidation stability and deformability are considered as the enabler for high-performance all-solid-state batteries. Compared to close-packed monoclinic Li3InCl6 or Li3ScCl6, despite the same structural framework, the lower ionic conductivity of Li2ZrCl6 is intriguing. Herein, the structural evolution and Li+ migration of aliovalent-substituted Li2ZrCl6 with In3+ (or Sc3+) are investigated. A monoclinic crystal structure over the entire range of substitution (0 ≤ x ≤ 1.0 in Li2+xZr1-xInxCl6) is identified by the Rietveld refinement of neutron diffraction. By the aliovalent substitution, the Li+ conductivity of Li2ZrCl6 is increased drastically from 7.1 × 10-6 to max. 2.1 × 10-3 S cm−1 at 30 °C. It is revealed that the aliovalent substitution results in anisotropic lattice volume expansion and redistribution of Li in the lattice. Specifically, the increased concentration of Li+ in the (0 0 2) plane renders the Li+ migration more favorable. The bond valence energy level calculations also disclose two dimensionally (2D) preferable 3D Li+ migration channels, which emphasizes a tetrahedral Li site in the (0 0 2) plane as the key for facile Li+ migration. Furthermore, the excellent electrochemical performance of all-solid-state batteries using In-substituted Li2ZrCl6 is demonstrated for single-crystalline LiNi0.88Co0.11Mn0.01O2 cathode.
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