Cationic polymer-in-salt electrolytes for fast metal ion conduction and solid-state battery applications

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作者
Fangfang Chen,Xiaoen Wang,Michel Armand,Maria Forsyth
出处
期刊:Research Square - Research Square 被引量:2
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-532893/v1
摘要

Abstract Polymer electrolytes provide a safe solution for all-solid-state high energy density batteries. Materials that meet the simultaneous requirement of high ionic conductivity and high transference number remain a challenge, in particular for new battery chemistries beyond Lithium such as Na, K and Mg. Herein, we demonstrate the versatility of a polymeric ionic liquid (PolyIL) as a solid-state solvent to achieve this goal for both Na and K. Using molecular simulations, we predict and elucidate fast metal ion transport in PolyILs through a structural diffusion mechanism in a polymer-in-salt environment, facilitating a high transference number. Experimental validation of these computational designed Na and K polymer electrolytes gives high ionic conductivities of 1.010 -3 S cm-1 at 80 o C and an exceptional Na + transference number of ~0.57. Electrochemical cycling of a sodium anode also demonstrates an ultra-low overpotential of 40 mV and stable long term performance of more than 100 hours in a symmetric cell. PolyIL-based polymer-in-salt strategies for novel solid-state electrolytes thus offer a promising route to design high performance next generation sustainable battery chemistries.
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