Oxygen Substitution for Li–Si–P–S–Cl Solid Electrolytes toward Purified Li10GeP2S12-Type Phase with Enhanced Electrochemical Stabilities for All-Solid-State Batteries

电化学 电解质 氧气 电导率 离子电导率 快离子导体 分析化学(期刊) 固溶体 材料科学 化学 相(物质) 无机化学 电极 物理化学 冶金 有机化学
作者
Yuxiang Li,Shugo Daikuhara,Satoshi Hori,Xueying Sun,Kota Suzuki,Masaaki Hirayama,Ryoji Kanno
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:32 (20): 8860-8867 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.0c02351
摘要

Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3 (LSiPSCl), which exhibits a Li10GeP2S12 (LGPS)-type structure, presents the highest reported Li-ion conductivity for solid electrolytes, but the formation of a secondary phase and a limited electrochemical stability restricts its performance in all-solid-state cells. Herein, oxygen atoms were substituted into LSiPSCl, and a monophasic LGPS-type solid solution was obtained (Li9.54Si1.74P1.44S11.7–zCl0.3Oz, LSiPSClOz; 0 < z ≤ 0.6). Compared with LSiPSCl, the oxygen-substituted sample showed an improved ionic conductivity (7.4 ± 0.2 mS cm–1) for its cold-pressed powder pellet containing both bulk and grain-boundary resistances. This trend is consistent with the bulk conductivities at 298 K (28 ± 3 mS cm–1) estimated from impedance measurements at low temperatures. The electrochemical stabilization effect of oxygen substitution was confirmed by the charge–discharge measurement for an all-solid-state cell using the oxygen-substituted material as a separator electrolyte, which exhibited improved cycling compared to the cell using the nonsubstituted phase. Oxygen substitution in the LGPS-type phase of the Li–Si–P–S–Cl system therefore provides a higher purity and enhances the electrochemical stability of all-solid-state batteries, suggesting that oxygen substitution could lead to stable LGPS-type superionic conductors in the halogen-substituted Li–M–P–S (M = Ge, Si, and Sn) system.
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