Fluorine-Substituted Halide Solid Electrolytes with Enhanced Stability toward the Lithium Metal

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作者
Priya Ganesan,Mervyn Soans,Musa Ali Cambaz,Ramon Zimmermanns,Ritambhara Gond,Stefan Fuchs,Yang Hu,Stephen Baumgart,Mohsen Sotoudeh,Dominik Stępień,Helge S. Stein,Axel Groß,Dominic Bresser,Alberto Varzi,Maximilian Fichtner
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (32): 38391-38402 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsami.3c03513
摘要

The high ionic conductivity and good oxidation stability of halide-based solid electrolytes evoke strong interest in this class of materials. Nonetheless, the superior oxidative stability compared to sulfides comes at the expense of limited stability toward reduction and instability against metallic lithium anodes, which hinders their practical use. In this context, the gradual fluorination of Li2ZrCl6-xFx (0 ≤ x ≤ 1.2) is proposed to enhance the stability toward lithium-metal anodes. The mechanochemically synthesized fluorine-substituted compounds show the expected distorted local structure (M2-M3 site disorder) and significant change in the overall Li-ion migration barrier. Theoretical calculations reveal an approximate minimum energy path for Li2ZrCl6-xFx (x = 0 and 0.5) with an increase in the Li+ migration energy barrier for Li2ZrCl5.5F0.5 in comparison to Li2ZrCl6. However, it is found that the fluorine-substituted compound exhibits substantially lower polarization after 800 h of lithium stripping and plating owing to enhanced interfacial stability against the lithium metal, as revealed by density functional theory and ex situ X-ray photoelectron spectroscopy, thanks to the formation of a fluorine-rich passivating interphase.
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