Starfish‐Inspired Solid‐State Li‐ion Conductive Membrane with Balanced Rigidity and Flexibility for Ultrastable Lithium Metal Batteries

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作者
Liequan Liu,Lingfeng Zhu,Youliang Wang,Xinwei Guan,Zhenfang Zhang,Hui Li,Fan Wang,Hai Zhang,Ze Zhang,Zhenyu Yang,Tianyi Ma
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202420001
摘要

The performance of solid-state lithium-metal batteries (SSLMB) is often constrained by the low ionic conductivity, narrow electrochemical window, and insufficient mechanical strength of polyethylene oxide (PEO)-based electrolytes. Inspired by the soft-outside, rigid-inside structure of starfish, we designed multifunctional "starfish-type" composite polymer electrolytes (CPEs) using electrospinning technology. These CPEs feature a three-dimensional rigid skeleton network composed of polyacrylonitrile/metal-organic frameworks/ionic liquids (PAN/MOFs/ILs), creating continuous and efficient Li+ transport channels: MOFs impart rigidity, PEO acts as a cushioning outer layer to enhance interfacial compatibility, and ILs reduce interfacial resistance. The resulting CPEs exhibited excellent ionic conductivity (4.37×10-4 S cm-1), a wide electrochemical window (5.34 V), uniform lithium-ion flux, and a high transference number (0.69). Leveraging these synergistic advantages, the Li/CPEs/Li symmetric cell demonstrated outstanding dendrite suppression for over 1300 hours, and the LiFePO4/CPEs/Li cell retained 90.1% capacity after 2100 cycles at 1.0 C, which is the best performance reported for SSLMB with MOF/PEO. The formation of multi-component solid-electrolyte interphase and its role in stabilizing lithium metal cycling were systematically elucidated through theoretical simulations and spectroscopic analysis. This nature-inspired design provides a promising strategy for the development of stable solid-state electrolytes with extended lifespans.
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