Garnet-rich composite solid electrolytes for dendrite-free, high-rate, solid-state lithium-metal batteries

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作者
Chaoyi Yan,Pei Zhu,Hao Jia,Zhuang Du,Jiadeng Zhu,Raphael Orenstein,Hui Cheng,Nianqiang Wu,Mahmut Dirican,Xiangwu Zhang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:26: 448-456 被引量:113
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2019.11.018
摘要

Composite solid electrolytes (CSEs), which are composed of inorganic fillers and organic polymers, show improved safety and suppressed lithium dendrite growth in Li-metal batteries, as compared to flammable liquid electrolytes. However, the performance of current CSEs is limited by the agglomeration effect, with low content of inorganic Li+-conducting fillers and ineffective Li+ transport between the inorganic fillers and the polymer matrix. To address these challenges, a new type of CSE composed of silane-modified Li6.28La3Al0.24Zr2O12 ([email protected]) nanofibers and poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) is developed. Employment of the silane coupling agent, 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, enables the incorporation of a high content of LLAZO nanofibers (up to 70 ​wt%) with the polymer matrix and results in a well-percolated, three-dimensional LLAZO network fully embedded in the PEGDA matrix. Consequently, the silane coupling agent successfully eliminates the agglomeration effect, which ensures higher ionic conductivity, larger lithium transference number, wider electrochemical stability window, and better cycling stability for [email protected] CSEs. Excellent cycling stability and extraordinarily high rate capability (up to 10C) are demonstrated in the all-solid-state Li-metal batteries with LiFePO4 and high-voltage Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 cathodes at ambient temperature. This novel design of CSEs with [email protected] nanofibers paves the way for a new generation of improved functioning all-solid-state Li-metal batteries.
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