Solid-state rigid-rod polymer composite electrolytes with nanocrystalline lithium ion pathways

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作者
Ying Wang,Curt J. Zanelotti,Xiaoen Wang,Robert Kerr,Liyu Jin,Wang Hay Kan,Theo J. Dingemans,Maria Forsyth,Louis A. Madsen
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:20 (9): 1255-1263 被引量:193
标识
DOI:10.1038/s41563-021-00995-4
摘要

A critical challenge for next-generation lithium-based batteries lies in development of electrolytes that enable thermal safety along with the use of high-energy-density electrodes. We describe molecular ionic composite electrolytes based on an aligned liquid crystalline polymer combined with ionic liquids and concentrated Li salt. This high strength (200 MPa) and non-flammable solid electrolyte possesses outstanding Li+ conductivity (1 mS cm−1 at 25 °C) and electrochemical stability (5.6 V versus Li|Li+) while suppressing dendrite growth and exhibiting low interfacial resistance (32 Ω cm2) and overpotentials (≤120 mV at 1 mA cm−2) during Li symmetric cell cycling. A heterogeneous salt doping process modifies a locally ordered polymer–ion assembly to incorporate an inter-grain network filled with defective LiFSI and LiBF4 nanocrystals, strongly enhancing Li+ conduction. This modular material fabrication platform shows promise for safe and high-energy-density energy storage and conversion applications, incorporating the fast transport of ceramic-like conductors with the superior flexibility of polymer electrolytes. Developing safe electrolytes compatible with high-energy-density electrodes is key for the next generation of lithium-based batteries. Stable solid-state rigid-rod polymer composite electrolytes with nanocrystalline lithium ion pathways are now proposed.
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