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Scalable Slurry-Casting Fabrication of Ultrathin, Flexible, and High-Voltage Halide-based Composite Solid-State Electrolytes for Lithium Metal Batteries

制作 泥浆 材料科学 复合数 卤化物 金属锂 电解质 锂(药物) 固态 可扩展性 电压 铸造 快离子导体 纳米技术 复合材料 电极 电气工程 计算机科学 工程物理 无机化学 工程类 化学 数据库 医学 替代医学 病理 物理化学 内分泌学
作者
Junjie Chen,Yu Wang,Yanke Lin,Jianbo Xu,Yiju Li,T.S. Zhao
标识
DOI:10.1016/j.nxener.2024.100120
摘要

Flexible composite polymer electrolytes with high ionic conductivity, high voltage, and small thickness are critical for achieving scalable fabrication of high-energy-density solid-state lithium metal batteries (SSLMBs). Owing to the intrinsically lower density (2.5–3.0 g cm−3) than that of oxides (>4.0 g cm−3), high ionic conductivity (∼10−3 S cm−1), high modulus, and high voltage, halides can be used as effective functional Li-ion-conductive fillers to construct thin, lightweight, and high-performance composite polymer electrolytes while achieving high-energy-density of SSLMBs. Nevertheless, the chemical vulnerability of halide solid electrolyte materials to common polar solvents restricts the scalable slurry-casting fabrication of halide-based composite polymer electrolytes for practical SSLMBs. To this end, a bi-functional low-polarity solvent, dimethyl carbonate, is screened to render halides, which are usually slurry-incompatible, amenable to scalable slurry fabrication. As a result, an ultrathin (10 µm) and flexible halide-incorporated composite electrolyte with a high electrochemical window up to 4.8 V vs. Li+/Li, high thermal stability, and desirable self-extinguishing ability is developed. Benefiting from the multiple Li-ion transport mechanisms enabled by the interaction between fillers, salts, and polymers, the obtained composite polymer electrolyte can achieve a high ionic conductivity of 0.325 mS cm–1 at 25 °C. The assembled solid-state Li|LiFePO4 cell based on the halide-based composite electrolyte achieves a high capacity of 153 mAh g−1 at 0.2 C with a capacity retention of 98% after 175 cycles, and the Li|LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 cell can stably cycle at a cut-off voltage of 4.3 V and achieve a high capacity of 160 mAh g−1 at 0.2 C with a capacity retention of 89% after 170 cycles. This work provides an effective strategy for large-scale manufacturing of ultrathin and flexible halide-based composite electrolytes for high-performance SSLMBs.

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