High-voltage superionic and humidity-tolerant Li2.5Sc0.5Zr0.5Cl6 conductor for lithium batteries via preferred orientation

电解质 材料科学 阴极 法拉第效率 离子电导率 阳极 电导率 电化学 相对湿度 氧化物 水分 复合材料 化学工程 电极 化学 热力学 工程类 物理 冶金 物理化学
作者
Wenjin Li,Zongyi Chen,Yansen Chen,Wenjie Duan,Guodong Liu,Youming Lv,Haitao Yang,Lei Yao
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:455: 140509-140509 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.140509
摘要

Chloride solid electrolytes (CSEs) have good compatibility with commercial oxide cathode materials and show great potential for application in all-solid-state Li metal batteries (ASSLMBs). However, achieving simultaneously low cost, high ionic conductivity, excellent moisture tolerance, and robust electrochemical stability with >4 V-class cathodes for CSEs remains challenging. Herein, we report a facile Zr substitution strategy to increase the degree of preferred orientation and lower the Li+ diffusion barrier of the (001) plane, i.e. the ab plane, of Li3ScCl6, thus boosting the ion conduction kinetics and framework stability. As such, Li2.5Sc0.5Zr0.5Cl6 exhibits a high conductivity of 2.23 mS cm−1 and low activation energy of 0.26 eV at room temperature (RT). ASSLMBs are constructed using a LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2cathode, Li2.5Sc0.5Zr0.5Cl6 electrolyte, and Li-In anode, and deliver an exceptional initial Coulombic efficiency of 89.6 % at RT and can run stably over 200 cycles with 90 % capacity retention at 0.2C. In-situ electrochemical impedance inspection of the battery further reveals a high interfacial stability between Li2.5Sc0.5Zr0.5Cl6 and LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2. Moreover, Li2.5Sc0.5Zr0.5Cl6 demonstrates high wet fatness with a preserved structure stability and high ionic conductivity after exposure to atmosphere with 5 % relative humidity. Such humidity tolerance and cost-effectiveness solve two major obstacles for the application of CSEs.
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