E-beam irradiation of poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) induces high dielectric constant and all- trans conformation for highly ionic conductive solid-state electrolytes

电介质 材料科学 离子键合 辐照 导电体 氟化物 电解质 固态 常量(计算机编程) 梁(结构) 高分子化学 光电子学 复合材料 无机化学 化学 物理化学 光学 离子 有机化学 电极 物理 核物理学 程序设计语言 计算机科学
作者
Chen Dai,Florian J. Stadler,Zhong‐Ming Li,Yanfei Huang
标识
DOI:10.26599/emd.2023.9370016
摘要

Polymer matrices have a limited ability to dissociate lithium salts and transport ions, thus making most solid-state polymer electrolytes (SPEs) have extremely low ionic conductivities (10−7–10−5 S/cm) at 25°C. In this work, a high-energy electron-beam (e-beam) irradiation is applied to a poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)] SPE to improve the ionic conductivity. P(VDF-TrFE) easily shows pure all-trans (TTTT) conformation with all fluorine atoms located on one side of the carbon chain to provide an ion transport highway. E-beam irradiation keeps large amounts of TTTT conformation of P(VDF-TrFE) and produces –CF3 side groups, where the latter expands the interchain distance to split the large ferroelectric domains into nanosize to induce a unique relaxor ferroelectric behavior. This enhances the dielectric constant of irradiated P(VDF-TrFE) from 15 to 20 and thus facilitates lithium salt dissociation. As a consequence, the ionic conductivity of irradiated P(VDF-TrFE) SPE is increased from 5.8 × 10−5 to 1.6 × 10−4 S cm−1 at 25°C. The solid-state Li//Li symmetrical cell cycles for more than 3000 h at 25°C without shortcuts. Furthermore, the solid-state LFP//Li cell cycles stably for more than 350 cycles with a capacity retention of around 91.3% at 1 C and 25°C. This study paves a new way to prepare high-performance SPEs by inducing high dielectric constants and abundant TTTT conformations through e-beam irradiation.

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