非晶卤氧化物固体电解质的异价掺杂以实现高性能全固态锂电池

《Journal of Materials Chemistry A》：Heterovalent doping of amorphous oxyhalide solid electrolytes for high-performance all-solid-state lithium batteries

氧卤化物固态电解质Li3.2TaCl5.1O1.6通过异价金属离子掺杂（Hf4+、Bi3+）显著提升离子电导率至8.48×10?3和7.42×10?3 S/cm，归因于掺杂引起的晶格畸变拓宽离子迁移通道并降低能垒，同时改善全固态锂电池的循环稳定性和能量密度。

　　

氧卤化物固态电解质（SSEs）在高能量密度全固态锂电池（ASSLBs）领域引起了广泛的研究兴趣，这得益于它们的高离子导电性和良好的界面兼容性。在这项研究中，系统地探讨了异价金属离子掺杂（Cs⁺、Bi³⁺、Hf⁴⁺或Nb⁵⁺）对Li_3.2TaCl₅O_1.6（LTCO）性能的影响，特别关注了最优掺杂剂（Hf⁴⁺和Bi³⁺），以便进一步进行结构和电化学表征。结果表明，掺杂并未改变电解质的非晶态，但显著提高了其离子导电性。最佳掺杂浓度为x = 0.1，在此浓度下，Hf⁴⁺和Bi³⁺掺杂样品（Li_3.3Ta_0.9Hf_0.1Cl₅O_1.6和Li_3.4Ta_0.9Bi_0.1Cl₅O_1.6）的导电率分别达到了8.48 × 10^?3S cm^?1和7.42 × 10^?3S cm^?1，明显高于LTCO的6.85 × 10^?3S cm^?1。这些性能提升可归因于异价离子（Hf⁴⁺或Bi³⁺）引起的晶格畸变，这种畸变不仅拓宽了离子迁移路径，还降低了Li离子的结合能和迁移能垒。使用最佳掺杂电解质制备的ASSLBs表现出更优异的循环稳定性、更高的放电比容量以及更好的库仑效率。本研究证明，异价离子掺杂是提高非晶态氧卤化物SSEs电化学性能的有效策略，为它们在高性能ASSLBs中的应用提供了新的见解。