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Unlocking solid-state conversion batteries reinforced by hierarchical microsphere stacked polymer electrolyte

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作者
Jiulin Hu,Keyi Chen,Zhenguo Yao,Chilin Li
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier]
卷期号:66 (7): 694-707 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.scib.2020.11.017
摘要

Pursuing all-solid-state lithium metal batteries with dual upgrading of safety and energy density is of great significance. However, searching compatible solid electrolyte and reversible conversion cathode is still a big challenge. The phase transformation at cathode and Li deformation at anode would usually deactivate the electrode–electrolyte interfaces. Herein, we propose an all-solid-state Li-FeF 3 conversion battery reinforced by hierarchical microsphere stacked polymer electrolyte for the first time. This g-C 3 N 4 stuffed polyethylene oxide (PEO)-based electrolyte is lightweight due to the absence of metal element doping, and it enables the spatial confinement and dissolution suppression of conversion products at soft cathode-polymer interface, as well as Li dendrite inhibition at filler-reinforced anode-polymer interface. Two-dimensional (2D)-nanosheet-built porous g-C 3 N 4 as three-dimensional (3D) textured filler can strongly cross-link with PEO matrix and LiTFSI (TFSI: bistrifluoromethanesulfonimide) anion, leading to a more conductive and salt-dissociated interface and therefore improved conductivity (2.5 × 10 –4 S/cm at 60 °C) and Li + transference number (0.69). The compact stacking of highly regular robust microspheres in polymer electrolyte enables a successful stabilization and smoothening of Li metal with ultra-long plating/striping cycling for at least 10,000 h. The corresponding Li/LiFePO 4 solid cells can endure an extremely high rate of 12 C. All-solid-state Li/FeF 3 cells show highly stabilized capacity as high as 300 mAh/g even after 200 cycles and of ~200 mAh/g at extremely high rate of 5 C, as well as ultra-long cycling for at least 1200 cycles at 1 C. High pseudocapacitance contribution (>55%) and diffusion coefficient (as high as 10 –12 cm 2 /s) are responsible for this high-rate fluoride conversion. This result provides a promising solution to conversion-type Li metal batteries of high energy and safety beyond Li-S batteries, which are difficult to realize true “all-solid-state” due to the indispensable step of polysulfide solid–liquid conversion.
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