Anion π–π Stacking for Improved Lithium Transport in Polymer Electrolytes

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作者
Lixin Qiao,Sergio Rodríguez Peña,Maria Martínez‐Ibáñez,Alexander Santiago,Itziar Aldalur,Elias Lobato,Eduardo Sánchez‐Díez,Yan Zhang,Hegoi Manzano,Haijin Zhu,Maria Forsyth,Michel Armand,Javier Carrasco,Heng Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (22): 9806-9816 被引量:44
标识
DOI:10.1021/jacs.2c02260
摘要

Polymer electrolytes (PEs) with excellent flexibility, processability, and good contact with lithium metal (Li°) anodes have attracted substantial attention in both academic and industrial settings. However, conventional poly(ethylene oxide) (PEO)-based PEs suffer from a low lithium-ion transference number (TLi+), leading to a notorious concentration gradient and internal cell polarization. Here, we report two kinds of highly lithium-ion conductive and solvent-free PEs using the benzene-based lithium salts, lithium (benzenesulfonyl)(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiBTFSI) and lithium (2,4,6-triisopropylbenzenesulfonyl)(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTPBTFSI), which show significantly improved TLi+ and selective lithium-ion conductivity. Using molecular dynamics simulations, we pinpoint the strong π-π stacking interaction between pairs of benzene-based anions as the cause of this improvement. In addition, we show that Li°∥Li° and Li°∥LiFePO4 cells with the LiBTFSI/PEO electrolytes present enhanced cycling performance. By considering π-π stacking interactions as a new molecular-level design route of salts for electrolyte, this work provides an efficient and facile novel strategy for attaining highly selective lithium-ion conductive PEs.
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