Composite solid electrolytes containing single-ion lithium polymer grafted garnet for dendrite-free, long-life all-solid-state lithium metal batteries

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作者
Mian Liu,Xiang Guan,Hongmei Liu,Xiang Ma,Qingping Wu,Sitong Ge,Haitao Zhang,Jun Xu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:445: 136436-136436 被引量:61
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.136436
摘要

• LLZTO is grafted by LiSTFSI on the surface of LLZTO via silane coupling agent. • Li + deposition in PL@LCSEs is regulated uniformly to avoid lithium dendrite growth. • PL@LCSEs show high t Li+ and interfacial stability with electrodes. • Li/ PL@LCSEs/Li battery exhibits superior cycle stability. • NCM811/PL@LCSEs/Li battery shows excellent rate performance. Compared with traditional liquid electrolytes, the composite solid electrolytes (CSE) composed of polymer and inorganic particle fillers show better electrochemical stability and safety in lithium-ion batteries. However, the low lithium ion transference number ( t Li+ ) and filler agglomeration still threat CSE performance. In response to these threats, we proposed a flexible anion-immobilized modified ceramic-polymer composite solid electrolyte, which significantly increased the lithium ion transference number and showed promising performance after assembled in an all-solid-state battery. Primarily, the surface of Ta-doped garnet Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Ta 0.6 O 12 (@LLZTO) was modified by a silane coupling agent bearing C = C bonds, then the lithium single-ion polymer (lithium (4-styrenesulfonyl) (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiSTFSI)) was chemically grafted onto the above particles resulting in the ceramic-polymer composite particles (Li@LLZTO). These particles can be uniformly distributed in the polyethylene oxide (PEO) matrix to form composite solid electrolyte (PL@LCSE). It is found that the PL@LCSE promotes the dissociation of lithium salt and reduces the crystallinity of PEO, and shows a relatively high restriction on the migration of anions. Therefore, PL@LCSE shows a high ionic conductivity (1.5 mS·cm −1 ), a wide electrochemical window (∼5.3 V vs. Li/ Li + ) and a high t Li+ (0.77). The Li/PL@LCSE/Li battery exhibits long cycle stability (cycling more than 1000 h). Excellent cycling stability and high rate capability are demonstrated in the all-solid-state batteries with LiFePO 4 and LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM811) cathode. Consequently, the synthesized garnet-lithium single-ion polymer composite micron particles have great potential in the next generation of all-solid-state lithium metal batteries.
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