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Robust ion-rectifying polymer electrolyte membrane for high-rate solid-state lithium metal batteries

电解质 结晶度 材料科学 化学工程 锂(药物) 离子电导率 枝晶(数学) 聚合物 化学 电极 复合材料 物理化学 医学 几何学 工程类 内分泌学 生物化学 数学
作者
Pengfei Zhai,Ruiwen Shao,Chaoyuan Zeng,Shuangquan Qu,Fei Pei,Yuchuan Li,Wen Yang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:473: 144840-144840 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.144840
摘要

The uncontrolled dendrite growth and poor rate performance originating from crystallization-induced anisotropic ion transport and insufficient mechanical strength of solid polymer electrolytes (SPE) have significantly impeded the practical application of high-rate solid-state lithium metal batteries. Herein, we present a robust ion-rectifying PEO-based SPE membrane by incorporating titanium-oxo clusters (TOC) composed of a diameter of 2.69 nm and a height of 1.04 nm rigid backbone and hairy PEG chains into PEO-LiN(CF3SO2)2 (LiTFSI) electrolyte, denoted as PEO-TOC membrane. This membrane realizes dendrite-free lithium metal deposition where TOC serves as a rhecology-tuning (by reducing crystallinity) and anion-trapping (through Lewis acid-base interactions) agent, thus achieving an ion-rectifying effect in the electrolyte membrane. Consequently, the rapid and homogeneous Li+ flux is achieved, resulting in a high ionic conductivity of 5.5 × 10−5 S cm−1 at 30 °C and Li+ transference number of 0.51. Furthermore, the rigid backbone enables a robust compressive strength of 940 MPa for dendrite suppression. As a result, the robust ion-rectifying PEO-TOC membrane endows the Li-LFP cells with high-rate performance, achieving 111.9 mAh g−1 at 3.5 C, and good cycling performance of 92.9% capacity retention over 250 cycles at 1 C, which routine SPE hardly fulfills with anisotropic Li+ flux and mechanical properties.
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