journal-opt - abstr125-131

DOI:

Optoelektron. napìvprovìd. teh. 61, 125-131 (2026)

H.K. Kochubei, O.V. Stronski.

SUPERIONIC AND ION-CONDUCTING CHALCOGENIDE GLASSES AS PROMISING MATERIALS FOR ALTERNATIVE ENERGY SYSTEMS (review)

This article considers superionic and ion-conducting chalcogenide glasses as a promising platform for solid-state electrochemical energy storage devices intended for renewable and distributed energy systems. It is shown that replacing liquid electrolytes with solid ion-conducting phases can improve the fire and operational safety of batteries, broaden their operating temperature range, reduce electrolyte leakage risks, and create prerequisites for the use of lithium or sodium metal anodes. Particular attention is paid to sulfide and oxysulfide glassy and glass-ceramic systems based on Li2S–P2S5, Li3PS4, Li7P3S11, argyrodite phases, halide-modified thiophosphates, and Na₃PS₄₋ₓOₓ, which combine high ionic conductivity with technological deformability and the ability to form dense contact with electrode materials. The influence of structural disorder, local coordination, interstitial volume, defect regions, interphase boundaries, and chemical modification on the formation of Li⁺, Na⁺, Ag⁺, and Cu⁺ migration channels is analyzed. Ag- and Cu-doped chalcogenide glasses are separately considered as a class of fast ion conductors in which doping can significantly increase electrical conductivity and open possibilities for next-generation electrolyte materials. The key technological barriers are summarized, including a narrow electrochemical stability window, reactive interphases with anodes and high-voltage cathodes, moisture sensitivity, H2S release risk, mechanical degradation, dendritic instability, the need for thin electrolyte layers, and the complexity of scalable manufacturing. It is emphasized that the practical implementation of these materials requires composition optimization, interface engineering, protective coatings, stack pressure control, moisture-resistant surface modification, and long-term testing of full-size cells. It is substantiated that chalcogenide glasses can serve as a basis for safe solid-state batteries for stationary energy storage, buffer storage units, large-scale sodium-based systems, and special-purpose energy devices.

Keywords: energy storage, renewable energy, solid-state batteries, chalcogenide glasses, superionic conductors, sulfide electrolytes, oxysulfide electrolytes, glass-ceramic electrolytes, ionic conductivity, lithium batteries, sodium batteries.

PDF

References

1. International Renewable Energy Agency. Sodium-Ion Batteries: A Technology Brief. Abu Dhabi, UAE: IRENA, 2025. [Online]. Available: https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/ Publication/2025/Nov/IRENA_TEC_Sodium-ion_batteries_2025.pdf

2. Wu H. et al. Alkaline-based aqueous sodium-ion batteries for large-scale energy storage. Nature Communications. 2024. 15. doi: 10.1038/s41467-024-44855-6.

3. Machala M. L. et al. Life cycle comparison of industrial-scale lithium-ion battery supply chains. Nature Communications.2025. 16. doi: 10.1038/s41467-025-56063-x.

4. Zhang B. et al. Lithium-ion battery recycling relieves the threat to material supply for clean energy transitions. Nature Communications. 2025.16. doi: 10.1038/s41467-025-61481-y.

5. Yang, J., Lin J., Brezesinski T., and Strauss F. Emerging Superionic Sulfide and Halide Glass-Ceramic Solid Electrolytes: Recent Progress and Future Perspectives. ACS Energy Letters. 2024. 9, №12. Р.5977–5990. doi: 10.1021/acsenergylett.4c02460.

6. Su H. et al. Deciphering the critical role of interstitial volume in glassy sulfide superionic conductors. Nature Communications. 2024.15. doi: 10.1038/s41467-024-46798-4.

7. Liu M. et al. Surface molecular engineering to enable processing of sulfide solid electrolytes in humid ambient air. Nature Communications. 2025.16. doi: 10.1038/s41467-024-55634-8.

8. Chi X. et al. An electrochemically stable homogeneous glassy electrolyte formed at room temperature for all-solid-state sodium batteries. Nature Communications. 2022.13. Art. no. 2854. doi: 10.1038/s41467-022-30517-y.

9. Man B. et al. A Comprehensive Review of Sulfide Solid-State Electrolytes: Properties, Synthesis, Applications, and Challenges. Crystals. 2025.15, № 6. Art. no. 492. [Online]. Available: https://www.mdpi.com/2073-4352/15/6/492

10. Luo J. et al. Conductive binary Li borate glass coating for improved Ni-rich positive electrode in sulfide-based all-solid-state Li batteries. Nature Communications. 2025.16. doi: 10.1038/s41467-025-64532-6.

11. Lin J. et al. High-entropy argyrodite glass-ceramic electrolytes for all-solid-state batteries. Journal of Materials Futures. 2025.4, № 2. Art. no. 025105. doi: 10.1088/2752-5724/adde76.

12. Kwak H. et al. Emerging Halide Superionic Conductors for All-Solid-State Batteries: Design, Synthesis, and Practical Applications. ACS Energy Letters. 2022.7, №5.Р.1776–1805. doi: 10.1021/acsenergylett.2c00438.

13. Terna. Study on Reference Technologies for Electricity Storage. Rome, Italy: Terna, 2025. [Online]. Available: https://download.terna.it/terna/Study_on_reference_technologies_for_electricity_storage_January_2025_8de0262c6cf17ee.pd.f 131

14. Piarristeguy A., Viallet V. Chalcogenide-based materials for batteries: state of the art and research perspectives. Comptes Rendus Physique. 2026. 27, № G1. P. 217-234. doi: 10.5802/crphys.279.

15. Holbrook C., Chen P., Novita D. I., & Boolchand. P.2007. Origin of Conductivity Threshold in the Solid Electrolyte Glass System: (Ag2S)x(As2S3)1−x. IEEE Transactions On Nanotechnology. 6, №5. Р.530–535. doi:10.1109/tnano.2007.905540

16. Studenyak I P, Neimet Y Y, Kranjčec M, Solomon A M, Orliukas AF, Kežionis A, Kazakevičius E and Šalkus T. Electrical conductivity studies in (Ag3AsS3)x(As2S3)1–x superionic glasses and composites. J. Appl. Phys. 2014. 115, 033702. doi: 10.1063/1.4861624.

17. Frumar M. and Wagner T. Ag doped chalcogenide glasses and their applications Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. April 2003. 7, Issue 2. P.117-126. https://doi.org/10.1016/S1359-0286(03)00044-5.

18. Frumar M., Frumarova B., Wagner T. Amorphous and Glassy Semiconducting Chalcogenides. In: Comprehensive Semiconductor Science and Technology. 2011. P. 206-261. doi: 10.1016/B978-0-44-453153-7.00122-X.

19. Fan B., Yang Y., Ding J., Gao C., Lin C., Xue B. Co-sputtered thin films of silver-ion-conductive GeS₂-Sb₂S₃-AgI solid electrolytes. Thin Solid Films. 2025. 826. Art. no. 140769. doi: 10.1016/j.tsf.2025.140769.

20. Marple M. et al. Superionic conduction of silver in homogeneous chalcogenide glasses. J. Mater. Chem. A. 2016. 4, №3. doi: 10.1039/C5TA07301D.

21. Huang X.Y. et al. Formation, microstructure, and conductivity of a novel Ga2S3-Sb2S3-AgI chalcogenide system.Sci. Rep. 2018 Jan. 26. 8, №1.1699. doi: 10.1038/s41598-018-20144-3.

22. Zaiter R. et al. Unexpected role of metal halides in a chalcogenide glass network. Mater. Des. 2022. doi: 10.1016/j.matdes.2022.110547.

23. Ma B. et al. Physical and electrochemical behaviors of AgX (X = S/I) in a GeS₂-Sb₂S₃ chalcogenide-glass matrix. Ceramics International. 2020. 46, № 5. P. 6544-6549. doi: 10.1016/j.ceramint.2019.11.138.

Г.К. Кочубей, О.В. Стронський.

Суперіонні та іонопровідні халькогенідні стекла як перспективні матеріали для систем альтернативної енергетики (огляд)

У статті розглянуто суперіонні та іонопровідні халькогенідні стекла як перспективну платформу для твердотільних електрохімічних накопичувачів енергії, орієнтованих на потреби відновлюваної та розподіленої енергетики. Показано, що перехід від рідких електролітів до твердих іонопровідних фаз може підвищити пожежну і робочу безпеку батарей, розширити робочий діапазон роботи, зменшити ризики витоку електроліту та створити передумови для використання літієвих або натрієвих металевих анодів. Основну увагу приділено сульфідним і оксисульфідним склоподібним та склокерамічним системам на основі Li2S–P2S5, Li3PS4, Li7P3S11, аргіродитних фаз, галогенідно-модифікованих тіофосфатів і Na₃PS₄₋ₓOₓ, які поєднують високу іонну провідність із технологічною податливістю та здатністю формувати щільний контакт з електродними матеріалами. Проаналізовано вплив структурного безладу, локальної координації, міжвузлового об’єму, дефектних областей, міжфазних меж і хімічного модифікування на формування міграційних каналів Li⁺, Na⁺, Ag⁺ та Cu⁺. Окремо розглянуто Ag- і Cu-доповані халькогенідні стекла як клас швидких іонних провідників, у яких легування може суттєво підвищувати електропровідність і відкривати можливості для електролітів нового покоління. Узагальнено ключові технологічні бар’єри: вузьке електрохімічне вікно стабільності, реакційні міжфази з анодами і високовольтними катодами, чутливість до вологи, ризик виділення H2S, механічну деградацію, дендритну нестабільність, потребу в тонких електролітних шарах та складність масштабування. Підкреслено, що практична реалізація таких матеріалів потребує оптимізації складу, інтерфейсної інженерії, захисних покриттів, контролю тиску стеку, вологостійких поверхневих модифікацій і перевірки довготривалого ресурсу повнорозмірних комірок. Обґрунтовано, що халькогенідні стекла можуть стати основою безпечних твердотільних батарей для стаціонарного зберігання енергії, буферних накопичувачів, натрієвих систем великомасштабного застосування та спеціальних енергетичних пристроїв.

Ключові слова: накопичення енергії, відновлювана енергетика, твердотільні батареї, халькогенідні стекла, суперіонні провідники, сульфідні електроліти.

Back / Повернутися