Superionic Conducting Halide Frameworks Enabled by Interface-Bonded Halides

卤化物 化学 离子电导率 离子键合 快离子导体 八面体 化学物理 离子 结晶学 无机化学 电解质 物理化学 晶体结构 有机化学 电极
作者
Jiamin Fu,Shuo Wang,Jianwen Liang,Sandamini H. Alahakoon,Duojie Wu,Jing Luo,Hui Duan,Shumin Zhang,Feipeng Zhao,Weihan Li,Minsi Li,Xiaoge Hao,Xiaona Li,Jiatang Chen,Ning Chen,Graham King,Lo‐Yueh Chang,Ruying Li,Yining Huang,Meng Gu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (4): 2183-2194 被引量:75
标识
DOI:10.1021/jacs.2c09446
摘要

The revival of ternary halides Li-M-X (M = Y, In, Zr, etc.; X = F, Cl, Br) as solid-state electrolytes (SSEs) shows promise in realizing practical solid-state batteries due to their direct compatibility toward high-voltage cathodes and favorable room-temperature ionic conductivities. Most of the reported superionic halide SSEs have a structural pattern of [MCl6]x- octahedra and generate a tetrahedron-assisted Li+ ion diffusion pathway. Here, we report a new class of zeolite-like halide frameworks, SmCl3, for example, in which 1-dimensional channels are enclosed by [SmCl9]6- tricapped trigonal prisms to provide a short jumping distance of 2.08 Å between two octahedra for Li+ ion hopping. The fast Li+ diffusion along the channels is verified through ab initio molecular dynamics simulations. Similar to zeolites, the SmCl3 framework can be grafted with halide species to obtain mobile ions without altering the base structure, achieving an ionic conductivity over 10-4 S cm-1 at 30 °C with LiCl as the adsorbent. Moreover, the universality of the interface-bonding behavior and ionic diffusion in a class of framework materials is demonstrated. It is suggested that the ionic conductivity of the MCl3/halide composite (M = La-Gd) is likely in correlation with the ionic conductivity of the grafted halide species, interfacial bonding, and framework composition/dimensions. This work reveals a potential class of halide structures for superionic conductors and opens up a new frontier for constructing zeolite-like frameworks in halide-based materials, which will promote the innovation of superionic conductor design and contribute to a broader selection of halide SSEs.
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