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Amorphous Chloride Solid Electrolytes with High Li-Ion Conductivity for Stable Cycling of All-Solid-State High-Nickel Cathodes

无定形固体 化学 电解质 氯化物 离子电导率 电化学 分析化学(期刊) 无机化学 化学工程 结晶学 物理化学 电极 有机化学 工程类
作者
Feng Li,Xiaobin Cheng,Gongxun Lu,Yi‐Chen Yin,Yechao Wu,Ruijun Pan,Jin‐Da Luo,Fanyang Huang,Li‐Zhe Feng,Lei‐Lei Lu,Tao Ma,Lirong Zheng,Shuhong Jiao,Ruiguo Cao,Zhi‐Pan Liu,Hongmin Zhou,Xinyong Tao,Cheng Shang,Hong‐Bin Yao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (50): 27774-27787 被引量:19
标识
DOI:10.1021/jacs.3c10602
摘要

Solid electrolytes (SEs) are central components that enable high-performance, all-solid-state lithium batteries (ASSLBs). Amorphous SEs hold great potential for ASSLBs because their grain-boundary-free characteristics facilitate intact solid-solid contact and uniform Li-ion conduction for high-performance cathodes. However, amorphous oxide SEs with limited ionic conductivities and glassy sulfide SEs with narrow electrochemical windows cannot sustain high-nickel cathodes. Herein, we report a class of amorphous Li-Ta-Cl-based chloride SEs possessing high Li-ion conductivity (up to 7.16 mS cm-1) and low Young's modulus (approximately 3 GPa) to enable excellent Li-ion conduction and intact physical contact among rigid components in ASSLBs. We reveal that the amorphous Li-Ta-Cl matrix is composed of LiCl43-, LiCl54-, LiCl65- polyhedra, and TaCl6- octahedra via machine-learning simulation, solid-state 7Li nuclear magnetic resonance, and X-ray absorption analysis. Attractively, our amorphous chloride SEs exhibit excellent compatibility with high-nickel cathodes. We demonstrate that ASSLBs comprising amorphous chloride SEs and high-nickel single-crystal cathodes (LiNi0.88Co0.07Mn0.05O2) exhibit ∼99% capacity retention after 800 cycles at ∼3 C under 1 mA h cm-2 and ∼80% capacity retention after 75 cycles at 0.2 C under a high areal capacity of 5 mA h cm-2. Most importantly, a stable operation of up to 9800 cycles with a capacity retention of ∼77% at a high rate of 3.4 C can be achieved in a freezing environment of -10 °C. Our amorphous chloride SEs will pave the way to realize high-performance high-nickel cathodes for high-energy-density ASSLBs.
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