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Enabling High-Performance All-Solid-State Batteries via Guest Wrench in Zeolite Strategy

化学 电解质 沸石 离子电导率 快离子导体 扳手 电化学 离子 离子键合 化学工程 准固态 纳米技术 化学物理 电极 物理化学 催化作用 材料科学 有机化学 工程类 冶金 色素敏化染料
作者
Xiwen Chi,Malin Li,Xiao Chen,Jun Xu,Xin Yin,Shanghua Li,Ziyue Jin,Zhaodi Luo,Xingxing Wang,Dechen Kong,Meng Han,Ji‐Jing Xu,Zonghang Liu,Donghai Mei,Jiaao Wang,Graeme Henkelman,Jihong Yu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (44): 24116-24125 被引量:21
标识
DOI:10.1021/jacs.3c07858
摘要

All-solid-state batteries with a high energy density and safety are desirable candidates for next-generation energy storage applications. However, conventional solid electrolytes for all-solid-state batteries encounter limitations such as poor ionic conduction, interfacial compatibility, instability, and high cost. Herein, taking advantage of the ingenious capability of zeolite to incorporate functional guests in its void space, we present an innovative ionic activation strategy based on the "guest wrench" mechanism, by introducing a pair of cation and anion of LiTFSI-based guest species (GS) into the supercage of the LiX zeolite, to fabricate a zeolite membrane (ZM)-based solid electrolyte (GS-ZM) with high Li ionic conduction and interfacial compatibility. The restriction of zeolite frameworks toward the framework-associated Li ions is significantly reduced through the dynamic coordination of Li ions with the "oxygen wrench" of TFSI- at room temperature as shown by experiments and Car-Parrinello molecular dynamics simulations. Consequently, the GS-ZM shows an ∼100% increase in ionic conductivity compared with ZM and an outstanding Li+ transference number of 0.97. Remarkably, leveraging the superior ionic conduction of GS-ZM with the favorable interface structure between GS-ZM and electrodes, the assembled all-solid-state Li-ion and Li-air batteries based on GS-ZM exhibit the best-level electrochemical performance much superior to batteries based on liquid electrolytes: a capacity retention of 99.3% after 800 cycles at 1 C for all-solid-state Li-ion batteries and a cycle life of 909 cycles at 500 mA g-1 for all-solid-state Li-air batteries. The mechanistic discovery of a "guest wrench" in zeolite will significantly enhance the adaptability of zeolite-based electrolytes in a variety of all-solid-state energy storage systems with high performance, high safety, and low cost.
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