Asymmetric Trihalogenated Aromatic Lithium Salt Induced Lithium Halide Rich Interface for Stable Cycling of All-Solid-State Lithium Batteries

电解质 锂(药物) 材料科学 电化学 阳极 准固态 无机化学 离子电导率 化学工程 电极 化学 物理化学 色素敏化染料 医学 工程类 内分泌学
作者
Shuaishuai Yan,Fengxiang Liu,Yu Ou,Hang-Yu Zhou,Yang Lu,Wenhui Hou,Qingbin Cao,Hao Liu,Pan Zhou,Kai Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (19): 19398-19409 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c07246
摘要

Solid polymer electrolytes (SPEs) are the key components for all-solid-state lithium metal batteries with high energy density and intrinsic safety. However, the low lithium ion transference number (t+) of a conventional SPE and its unstable electrolyte/electrode interface cannot guarantee long-term stable operation. Herein, asymmetric trihalogenated aromatic lithium salts, i.e., lithium (3,4,5-trifluorobenzenesulfonyl)(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiFFF) and lithium (4-bromo-3,5-difluorobenzenesulfonyl)(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiFBF), are synthesized for polymer electrolytes. They exhibit higher t+ values and better compatibility with Li metal than conventional lithium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI). Due to the trihalogenated aromatic anions, LiFFF- and LiFBF-based electrolytes are prone to generate an LiF- and LiBr-rich solid electrolyte interphase (SEI), therefore increasing the stability of the solid electrolyte/anode interface. Particularly, LiFBF could induce a LiF/LiBr hybrid SEI, where LiF shows a high Young's modulus and high surface energy for homogenizing Li ion flux and LiBr exhibits an extremely low Li ion diffusion barrier in the SEI layer. As a result, the Li/Li symmetric cells could remain stable for more than 1200 h without a short circuit and the LiFePO4/Li batteries showed superb electrochemical performance over 1200 cycles at 1 C. This work provides valuable insights from the perspective of lithium salt molecular structures for high-performance all-solid-state lithium metal batteries.
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