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Solid-state nanocomposite ionogel electrolyte with in-situ formed ionic channels for uniform ion-flux and suppressing dendrite formation in lithium metal batteries

材料科学 电解质 离子电导率 阳极 化学工程 准固态 锂(药物) 离子键合 纳米复合材料 电化学 电化学窗口 无定形固体 快离子导体 纳米技术 离子 电极 化学 色素敏化染料 结晶学 物理化学 有机化学 内分泌学 工程类 医学
作者
Jianqi Sun,Caohua He,Yaogang Li,Qinghong Zhang,Chengyi Hou,Michaël De Volder,Kerui Li,Hongzhi Wang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:54: 40-50 被引量:26
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.10.031
摘要

To keep with the trend of developing safe and high-energy-density lithium (Li) batteries, solid-state electrolytes (SSEs) are sought after to revive Li anodes by enhancing their operation stability. However, SSEs suffer from energy-intensive fabrication processes, complex electrochemical degradations, and interfacial challenges. Herein, a solid-state nanocomposite ionogel electrolyte (n-CIE) composed of in situ generated interface-active silica scaffold and encaged ionic liquid electrolyte (ILE) is proposed to promote the cycling stability of Li metal batteries. The amorphous silica scaffold has extensive mesoporous channels with highly active interfaces, in which disassociated ionic environments could gradually evolve into ionic-type channels. These evolved channels can constrain the movement of large ions via hydrogen bonding and steric charge interaction but allow for fast and homogeneous transport of Li ions (Li+). As a result, the n-CIE has an ionic conductivity of 7.58 × 10−4 S cm−1, and significantly enhanced Li+ transference number of 0.48. In the symmetrical cells using n-CIE, steady plating/stripping without dendrites was observed by tuning ionic fluxes and interfacial engineering, and in full cells with LiCoO2 and LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 cathodes, fairly stable capacity retention of 86.2 and 99.3% for 350 and 75 cycles was achieved respectively. This design of solid electrolytes with unique reticular physiochemistry presents an approach to high-performance Li batteries with safe Li metal anodes.
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