High-Modulus Single-Ion-Conducting Electrolytes Based on a Rigid-Rod Polyanion

电解质 材料科学 离子电导率 反离子 PEG比率 乙二醇 电导率 离子 化学工程 化学 有机化学 物理化学 电极 生物化学 财务 经济 工程类
作者
Joshua E. Bostwick,Deyang Yu,Curt J. Zanelotti,Theo J. Dingemans,Louis A. Madsen,Ralph H. Colby
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (13): 6910-6916 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsaem.3c00243
摘要

Single-ion-conducting electrolytes enable easy processing and can block Li dendritic growth, showing potential for use in solid-state batteries. We report solid electrolytes that combine a rigid-rod polyanion, poly(2,2′-disulfonyl-4,4′-benzidine terephthalamide) (PBDT), with Na+ or Li+ counterions, and poly(ethylene glycol) (PEG, Mn = 400 g mol–1). PBDT-PEG membranes show Young's modulus from 90 to 2110 MPa that increases with the PBDT content and is >4× higher for Li-based vs Na-based electrolytes. We attribute this dramatically higher modulus in LiPBDT–PEG to poorer ion dissociation between Li+ and PBDT sulfonate groups and stronger interactions between LiPBDT and PEG. These membranes show an increase in ionic conductivity with increasing PEG concentration (0.1–7 μS cm–1 at 30 °C), reaching 0.13 mS cm–1 at 120 °C. These materials use highly rigid and charged PBDT double helices to "solidify" low-molecular-weight PEG into mechanically strong and highly single-ion-conductive solid polymer electrolytes with high thermal stability. Their combination of high cation conductivity and high modulus exceeds those of competing single-ion conductors at 30 °C.
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