High‐Entropy Lithium Argyrodite Solid Electrolytes Enabling Stable All‐Solid‐State Batteries

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作者
Shenghao Li,Jing Lin,Mareen Schaller,Sylvio Indris,Xin Zhang,Torsten Brezesinski,Ce‐Wen Nan,Shuo Wang,Florian Strauss
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (50): e202314155-e202314155 被引量:146
标识
DOI:10.1002/anie.202314155
摘要

Superionic solid electrolytes (SEs) are essential for bulk-type solid-state battery (SSB) applications. Multicomponent SEs are recently attracting attention for their favorable charge-transport properties, however a thorough understanding of how configurational entropy (ΔSconf ) affects ionic conductivity is lacking. Here, we successfully synthesized a series of halogen-rich lithium argyrodites with the general formula Li5.5 PS4.5 Clx Br1.5-x (0≤x≤1.5). Using neutron powder diffraction and 31 P magic-angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy, the S2- /Cl- /Br- occupancy on the anion sublattice was quantitatively analyzed. We show that disorder positively affects Li-ion dynamics, leading to a room-temperature ionic conductivity of 22.7 mS cm-1 (9.6 mS cm-1 in cold-pressed state) for Li5.5 PS4.5 Cl0.8 Br0.7 (ΔSconf =1.98R). To the best of our knowledge, this is the first experimental evidence that configurational entropy of the anion sublattice correlates with ion mobility. Our results indicate the possibility of improving ionic conductivity in ceramic ion conductors by tailoring the degree of compositional complexity. Moreover, the Li5.5 PS4.5 Cl0.8 Br0.7 SE allowed for stable cycling of single-crystal LiNi0.9 Co0.06 Mn0.04 O2 (s-NCM90) composite cathodes in SSB cells, emphasizing that dual-substituted lithium argyrodites hold great promise in enabling high-performance electrochemical energy storage.
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