Engineering Janus Interfaces of Ceramic Electrolyte via Distinct Functional Polymers for Stable High-Voltage Li-Metal Batteries

电解质 陶瓷 阳极 聚丙烯腈 法拉第效率 化学工程 氧化物 材料科学 聚合物 化学 纳米技术 电极 复合材料 冶金 工程类 物理化学
作者
Jia‐Yan Liang,Xian‐Xiang Zeng,Xu‐Dong Zhang,Tong‐Tong Zuo,Min Yan,Ya‐Xia Yin,Ji‐Lei Shi,Xiongwei Wu,Yu‐Guo Guo,Li‐Jun Wan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (23): 9165-9169 被引量:331
标识
DOI:10.1021/jacs.9b03517
摘要

The fast-ionic-conducting ceramic electrolyte is promising for next-generation high-energy-density Li-metal batteries, yet its application suffers from the high interfacial resistance and poor interfacial stability. In this study, the compatible solid-state electrolyte was designed by coating Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 (LATP) with polyacrylonitrile (PAN) and polyethylene oxide (PEO) oppositely to satisfy deliberately the disparate interface demands. Wherein, the upper PAN constructs soft-contact with LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2, and the lower PEO protects LATP from being reduced, guaranteeing high-voltage tolerance and improved stability toward Li-metal anode performed in one ceramic. Moreover, the core function of LATP is amplified to guide homogeneous ions distribution and hence suppresses the formation of a space-charge layer across interfaces, uncovered by the COMSOL Multiphysics concentration field simulation. Thus, such a bifunctional modified ceramic electrolyte integrates the respective superiority to render Li-metal batteries with excellent cycling stability (89% after 120 cycles), high Coulombic efficiency (exceeding 99.5% per cycle), and a dendrite-free Li anode at 60 °C, which represents an overall design of ceramic interface engineering for future practical solid battery systems.
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