Molecular Design of a Highly Stable Single-Ion Conducting Polymer Gel Electrolyte

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作者
Kewei Liu,Sisi Jiang,Trevor L. Dzwiniel,Hongkeun Kim,Yu Zhou,Nancy L. Dietz Rago,Jae Jin Kim,Timothy T. Fister,Jianzhong Yang,Qian Liu,James A. Gilbert,Lei Cheng,Venkat Srinivasan,Zhengcheng Zhang,Chen Liao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (26): 29162-29172 被引量:50
标识
DOI:10.1021/acsami.0c03363
摘要

Single-ion conducting (SIC) polymer electrolytes with a high Li transference number (tLi+) have shown the capability to enable enhanced battery performance and safety by avoiding liquid-electrolyte leakage and suppressing Li dendrite formation. However, issues of insufficient ionic conductivity, low electrochemical stability, and poor polymer/electrode interfacial contact have greatly hindered their commercial use. Here, a Li-containing boron-centered fluorinated SIC polymer gel electrolyte (LiBFSIE) was rationally designed to achieve a high tLi+ and high electrochemical stability. Owing to the low dissociation energy of the boron-centered anion and Li+, the as-prepared LiBFSIE exhibited an ionic conductivity of 2 × 10-4 S/cm at 35 °C, which is exclusively contributed by Li ions owing to a high tLi+ of 0.93. Both simulation and experimental approaches were applied to investigate the ion diffusion and concentration gradient in the LiBFSIE and non-cross-linked dual-ion systems. Typical rectangular Li stripping/plating voltage profiles demonstrated the uniform Li deposition assisted by LiBFSIE. The interfacial contact and electrolyte infiltration were further optimized with an in situ UV-vis-initiated polymerization method together with the electrode materials. By virtue of the high electrochemical stability of LiBFSIE, the cells achieved a promising average Coulombic efficiency of 99.95% over 200 cycles, which is higher than that of liquid-electrolyte-based cells. No obvious capacity fading was observed, indicating the long-term stability of LiBFSIE for lithium metal batteries.
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