In the search for novel solid electrolytes for solid-state batteries, thiophosphate ionic conductors have been in recent focus owing to their high ionic conductivities, which are believed to stem from a softer, more polarizable anion framework. Inspired by the oft-cited connection between a soft anion lattice and ionic transport, this work aims to provide evidence on how changing the polarizability of the anion sublattice in one structure affects ionic transport. Here, we systematically alter the anion framework polarizability of the superionic argyrodites Li6PS5X by controlling the fractional occupancy of the halide anions (X = Cl, Br, I). Ultrasonic speed of sound measurements are used to quantify the variation in the lattice stiffness and Debye frequencies. In combination with electrochemical impedance spectroscopy and neutron diffraction, these results show that the lattice softness has a striking influence on the ionic transport: the softer bonds lower the activation barrier and simultaneously decrease the prefactor of the moving ion. Due to the contradicting influence of these parameters on ionic conductivity, we find that it is necessary to tailor the lattice stiffness of materials in order to obtain an optimum ionic conductivity.

Solid-state batteries with inorganic solid electrolytes are currently being discussed as a more reliable and safer future alternative to the current lithium-ion battery technology. To compete with state-of-the-art lithium-ion batteries, solid electrolytes with higher ionic conductivities are needed, especially if thick electrode configurations are to be used. In the search for optimized ionic conductors, the lithium argyrodites have attracted a lot of interest. Here, we systematically explore the influence of aliovalent substitution in Li6+ xP1- xGe xS5I using a combination of X-ray and neutron diffraction, as well as impedance spectroscopy and nuclear magnetic resonance. With increasing Ge content, an anion site disorder is induced and the activation barrier for ionic motion drops significantly, leading to the fastest lithium argyrodite so far with 5.4 ± 0.8 mS cm-1 in a cold-pressed state and 18.4 ± 2.7 mS cm-1 upon sintering. These high ionic conductivities allow for successful implementation within a thick-electrode solid-state battery that shows negligible capacity fade over 150 cycles. The observed changes in the activation barrier and changing site disorder provide an additional approach toward designing better performing solid electrolytes.

All-solid-state batteries (SSBs) have recently attracted much attention due to their potential application in electric vehicles. One key issue that is central to improve the function of SSBs is to gain a better understanding of the interfaces between the material components toward enhancing the electrochemical performance. In this work, the interfacial properties of a carbon-containing cathode composite, employing Li10GeP2S12 as the solid electrolyte, are investigated. A large interfacial charge-transfer resistance builds up upon the inclusion of carbon in the composite, which is detrimental to the resulting cycle life. Analysis by X-ray photoelectron spectroscopy reveals that carbon facilitates faster electrochemical decomposition of the thiophosphate solid electrolyte at the cathode/solid electrolyte interface-by transferring the low chemical potential of lithium in the charged state deeper into the solid electrolyte and extending the decomposition region. The occurring accumulation of highly oxidized sulfur species at the interface is likely responsible for the large interfacial resistances and aggravated capacity fading observed.

All-solid-state batteries (ASSBs) show great potential for providing high power and energy densities with enhanced battery safety. While new solid electrolytes (SEs) have been developed with high enough ionic conductivities, SSBs with long operational life are still rarely reported. Therefore, on the way to high-performance and long-life ASSBs, a better understanding of the complex degradation mechanisms, occurring at the electrode/electrolyte interfaces is pivotal. While the lithium metal/solid electrolyte interface is receiving considerable attention due to the quest for high energy density, the interface between the active material and solid electrolyte particles within the composite cathode is arguably the most difficult to solve and study. In this work, multiple characterization methods are combined to better understand the processes that occur at the LiCoO2 cathode and the Li10GeP2S12 solid electrolyte interface. Indium and Li4Ti5O12 are used as anode materials to avoid the instability problems associated with Li-metal anodes. Capacity fading and increased impedances are observed during long-term cycling. Postmortem analysis with scanning transmission electron microscopy, electron energy loss spectroscopy, X-ray diffraction, and X-ray photoelectron spectroscopy show that electrochemically driven mechanical failure and degradation at the cathode/solid electrolyte interface contribute to the increase in internal resistance and the resulting capacity fading. These results suggest that the development of electrochemically more stable SEs and the engineering of cathode/SE interfaces are crucial for achieving reliable SSB performance.

The local structure phase diagram of (Li₂S)_x(P₂S₅)_100−x thiophosphates derived from pair distribution function crystallization experiments.

Abstract The last decade has seen considerable advancements in the development of solid electrolytes for solid‐state battery applications, with particular attention being paid to sulfide superionic conductors. Importantly, the intrinsic electrochemical instability of these high‐performance separators highlights the notion that further progress in the field of solid‐state batteries is contingent on the optimization of component material interfaces in order to secure high energy and power densities, while maintaining device safety and a practical cycle life. On the cathode side, the need for a protective coating to inhibit solid electrolyte degradation is clear; however, a mechanistic understanding of the coating functionality remains unresolved, and there is still much room for improvement regarding the methodology and associated material properties. Herein, the essential requirements for a suitable coating are specified and fundamental considerations are discussed in detail. Additionally, this article will provide an overview of the various material classes, assessment protocols and practical coating methods, as well as an outlook on the development of coatings for cathode active materials in thiophosphate‐based solid‐state batteries.