High-Performance All-Solid-State Lithium Metal Batteries Enabled by Ionic Covalent Organic Framework Composites

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作者
Jun Huang,Cheng Liu,Zhenyang Zhang,C.R. Li,Ki‐Taek Bang,Andrew Liem,Hang Luo,Chuan Hu,Young Moo Lee,Yingying Lü,Yanming Wang,Yoonseob Kim
出处
期刊:Research Square - Research Square
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-4015490/v1
摘要

Abstract Ionic covalent organic frameworks (iCOFs) are crystalline materials with stable porous structures. They hold great potential for ion transport, particularly as solid-state electrolytes (SSEs) for all-solid-state Lithium metal batteries (ASSLMBs). However, achieving an ionic conductivity of over 10 −3 S cm −1 at room temperature using pure-iCOF-based SSEs, even adding additives such as lithium salts, is challenging as the voids work as strong resistances. Thus, highly conductive iCOFs typically require quasi-solid-state configurations with organic solvents or plasticizers. In this study, we prepared composites comprising iCOFs and poly(ionic liquid) (PIL) to make all-solid-state iCOFs electrolytes with an exceptional ionic conductivity up to 1.50 × 10 −3 S cm −1 and a high Li + transference number of > 0.80 at room temperature. Combined experimental and computational studies showed that the co-coordination and competitive coordination mechanism established between the PIL, lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) and iCOFs enabled rapid Li + transport while restricting TFSI − movement. ASSLMB cells, made of composite SSEs and LiFePO 4 composite cathode, demonstrated an initial discharge capacity of 141.5 mAh g −1 at 1 C and r.t., with an impressive capacity retention of 87% up to 800 cycles. Overall, this work presents a breakthrough approach for developing advanced SSEs for next-generation high-energy-density ASSLMBs.
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