Design Unique Air‐Stable and Li–Metal Compatible Sulfide Electrolyte via Exploration of Anion Functional Units for All‐Solid‐State Lithium–Metal Batteries

材料科学 电解质 硫化物 金属 锂(药物) X射线光电子能谱 阳极 无机化学 阴极 氧化物 化学工程 电极 化学 物理化学 冶金 工程类 内分泌学 医学
作者
Niaz Ahmad,Shaorui Sun,Peiwen Yu,Wen Yang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (28) 被引量:66
标识
DOI:10.1002/adfm.202201528
摘要

Abstract The marriage of solid‐state sulfide electrolytes (SSSEs) with Li‐anode and oxide‐based cathodes can multiply the energy density of all‐solid‐state Lithium–metal batteries (ASSLMBs). However, hydrolysis in the air, reduction at the Li/SSSE interface, and growth of Li‐dendrites inside SSSEs collectively block the route of sulfide‐based ASSLMBs. Herein, a novel Li 2.96 P 0.98 S 3.92 O 0.06 ‐Li 3 N glass–ceramic electrolyte (GCE) is developed, wherein O and N substitution produce POS 3 3– and Li 3 N unique functional units enable superior σ Li+ 1.58 mS cm –1 at RT. Notably, POS 3 3– units in Li 2.96 P 0.98 S 3.92 O 0.06 ‐Li 3 N excellently prevent the structural degradation against moisture @45–50%. The critical current density of Li 2.96 P 0.98 S 3.92 O 0.06 –Li 3 N reaches 1 mA cm –2 /1 mAh cm –2 @ RT. Moreover, Li//Li cells realize unprecedented Li‐plating/stripping >1000 h at 0.3 mA cm –2 /0.3 mAh cm –2 and 0.5 mA cm –2 /0.5 mAh cm –2 at RT. ToF‐SIMS and depth‐X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirm the formation of Pre‐solid‐electrolyte interphase (SEI) enriched with thermodynamically stable Li 2 O and Li 3 N species at Li/Li 2.96 P 0.98 S 3.92 O 0.06 –Li 3 N interface, suppressing the interfacial reactions and growth of Li‐dendrites inside Li 2.96 P 0.98 S 3.92 O 0.06 –Li 3 N. Furthermore, LiNbO 3 @NCA/Li 2.96 P 0.98 S 3.92 O 0.06 –Li 3 N/Li cells deliver a remarkable initial discharge capacity of 177.3, 177.6, and 177.8 mAh g –1 with 7.50, 16.50, and 21.50 mg cm –2 of NCA loading. Thus, the novel Li 2.96 P 0.98 S 3.92 O 0.06 –Li 3 N GCE addresses all key challenging issues and has tremendous potential to be used in sulfide‐based high‐energy ASSLMBs.
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