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Disorder-mediated ionic conductivity in irreducible solid electrolytes

离子电导率 电解质 电导率 离子键合 快离子导体 材料科学 化学 高分子化学 离子 有机化学 物理化学 电极
作者
Victor Landgraf,Mengfu Tu,Wen-Xuan Zhao,Anastasiia Lavrinenko,Zhu Cheng,Jef Canals,Joris de Leeuw,Swapna Ganapathy,Alexandros Vasileiadis,Marnix Wagemaker,Theodosios Famprikis
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2023-33r87-v2
摘要

Solid state batteries currently receive extensive attention due to their potential to outperform lithium ion batteries in terms of energy density when featuring next generation anodes such as lithium metal or silicon. However, most highly conducting solid electrolytes decompose at the low operating voltages of next-generation anodes leading to irreversible lithium loss and increased cell resistance. Such performance losses may be prevented by designing electrolytes which are thermodynamically stable at low operating voltages (anolytes). Here, we report on the discovery a new family of irreducible (i.e. fully reduced) electrolytes by mechanochemically dissolving lithium nitride into the Li2S antifluorite structure, yielding highly conducting crystalline Li2+xS1-xNx phases reaching > 0.2 mS cm-1 at ambient temperatures. Combining impedance spectroscopy experiments and ab initio density functional theory calculations we clarify the mechanism by which the disordering of the sulfide and nitride ions in the anion sublattice boosts ionic conductivity in Li2+xS1-xNx phases by a factor 10^5 compared to the Li2S host structure. This advance is achieved through a novel theoretical framework, leveraging percolation analysis with local-environment-specific activation energies and is widely applicable to disordered ion conductors. The same methodology allows us to rationalize how increasing nitrogen content in Li2+xS1-xNx antifluorite-like samples leads to both increased ionic conductivity and lower conductivity-activation energy. These findings pave the way to understanding disordered solid electrolytes and eliminating decomposition-induced performance losses on the anode side in solid-state batteries.
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