Stacking Faults Assist Lithium-Ion Conduction in a Halide-Based Superionic Conductor

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作者
Elias Sebti,Hayden A. Evans,Hengning Chen,Peter M. Richardson,Kelly M. White,Raynald Giovine,Krishna Prasad Koirala,Yaobin Xu,Eliovardo Gonzalez-Correa,Chongmin Wang,Craig M. Brown,Anthony K. Cheetham,Pieremanuele Canepa,Raphaële J. Clément
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (13): 5795-5811 被引量:48
标识
DOI:10.1021/jacs.1c11335
摘要

In the pursuit of urgently needed, energy dense solid-state batteries for electric vehicle and portable electronics applications, halide solid electrolytes offer a promising path forward with exceptional compatibility against high-voltage oxide electrodes, tunable ionic conductivities, and facile processing. For this family of compounds, synthesis protocols strongly affect cation site disorder and modulate Li+ mobility. In this work, we reveal the presence of a high concentration of stacking faults in the superionic conductor Li3YCl6 and demonstrate a method of controlling its Li+ conductivity by tuning the defect concentration with synthesis and heat treatments at select temperatures. Leveraging complementary insights from variable temperature synchrotron X-ray diffraction, neutron diffraction, cryogenic transmission electron microscopy, solid-state nuclear magnetic resonance, density functional theory, and electrochemical impedance spectroscopy, we identify the nature of planar defects and the role of nonstoichiometry in lowering Li+ migration barriers and increasing Li site connectivity in mechanochemically synthesized Li3YCl6. We harness paramagnetic relaxation enhancement to enable 89Y solid-state NMR and directly contrast the Y cation site disorder resulting from different preparation methods, demonstrating a potent tool for other researchers studying Y-containing compositions. With heat treatments at temperatures as low as 333 K (60 °C), we decrease the concentration of planar defects, demonstrating a simple method for tuning the Li+ conductivity. Findings from this work are expected to be generalizable to other halide solid electrolyte candidates and provide an improved understanding of defect-enabled Li+ conduction in this class of Li-ion conductors.
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