Mechanochemisch ungeordnetes Oxyhalogenid ermöglicht superionische Leitfähigkeit
| Jerry Huang
Anmerkung der Redaktion: Festelektrolyte sind die Schlüsselkomponente von Festkörper-Lithiumbatterien (ASSLBs). Aufgrund ihrer inhärenten Sicherheit sind Festkörperbatterien eine äußerst attraktive Energiespeichertechnologie. Ihre Weiterentwicklung hängt jedoch von Durchbrüchen bei fortschrittlichen Festelektrolyten ab. Derzeit stehen drei Hauptgruppen zur Verfügung: anorganische Elektrolyte (einschließlich Oxide, Sulfide und Halogenide), organische Polymerelektrolyte (meist Polyethylenoxid, PEO) und Kompositsysteme, die beide kombinieren. Hier stellen wir eine neue Studie des Teams um Jean-Marie Tarascon am Collège de France vor. Anorganische Festelektrolyte vereinen hohe Ionenleitfähigkeit, ausgezeichnete thermische Stabilität und eine hohe Li⁺-Überführungszahl. Daher gewinnen sie zunehmend an Bedeutung und gelten als Grundlage für die Entwicklung von Komposit-Festelektrolyten. Experimentelle und rechnerische Untersuchungen führen den superionischen Transport auf die Unordnung der [Ta₂OCl₁₀]²⁻-Dimere, die Reduzierung der Li⁺-Migrationsbarriere und die verbesserte räumliche Vernetzung der Li⁺-Diffusionswege zurück. Vollzellen mit dem Zweischichtelektrolyten NMC811 erreichen über 700 Zyklen bei 1C und verdeutlichen gleichzeitig eine praktische Einschränkung dieses Materials: seine unzureichende Reduktionsstabilität, die einen Grenzflächenschutz der Anode erforderlich macht. Frühere Forschungen des Teams um Akademiemitglied Xueliang Sun am Eastern Institute of Technology Ningbo hatten eine hohe Ionenleitfähigkeit durch die Verwendung eines anderen Kristalls, Li₃Ta₃O₄Cl₁₀, in einem Oxyhalogenid-Design gezeigt. Wir danken allen Forschern für die Entwicklung vielversprechender superionischer Leiter für Festkörperbatterien.
Abstrakt
Festkörper-Lithium-Metall-Batterien (ASSBs) bieten einen vielversprechenden Weg, die Energiedichtegrenzen der konventionellen Lithium-Ionen-Technologie zu überwinden. Ihre Kommerzialisierung wird jedoch durch Grenzflächeninstabilität, chemisch-mechanische Degradation und die begrenzte Ionenleitfähigkeit aktueller Festelektrolyte behindert, was die Suche nach neuen schnellen Ionenleitern, insbesondere unter den Lithiumoxyhalogeniden, vorantreibt. Hier berichten wir über ein neues Lithium-Tantal-Oxychlorid, Li₂Ta₂OCl₁₀, das über ein einfaches Niedertemperaturverfahren synthetisiert wurde. Das Material kristallisiert in einer triklinen Struktur, die aus isolierten [Ta₂OCl₁₀]²⁻-Dimeren besteht, und weist eine Ionenleitfähigkeit von 0,002 mS·cm⁻¹ bei Raumtemperatur auf. Durch Kugelmahlen wird der Li⁺-Transport deutlich verbessert, die Leitfähigkeit um den Faktor 5000 auf 11 mS·cm⁻¹ erhöht und gleichzeitig die Aktivierungsenergie von 0,46 auf 0,27 eV reduziert. Kombinierte Struktur-, Spektroskopie- und Computeranalysen zeigen, dass diese Verbesserung auf die Bildung eines stark ungeordneten, flüssigkeitsähnlichen Li+-Teilgitters zurückzuführen ist. Li₂Ta₂OCl₁₀ weist zudem ein Stabilitätsfenster von 1,89–3,70 V vs. LiₓIn auf und ermöglicht Festkörperbatterien mit geringer Polarisation und exzellenter Kapazitätserhaltung (700 Zyklen bei 1C mit einem Kapazitätsverlust von unter 20 %). Diese Ergebnisse etablieren Li₂Ta₂OCl₁₀ als vielversprechenden Superionenleiter und unterstreichen die Bedeutung der Li–M–O–Cl-Familie als vielversprechenden Ansatz für die Entwicklung von Festelektrolyten der nächsten Generation.
Referenzen
https://doi.org/10.1002/aenm.71736
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt9678