High-Performance Metal–Organic Framework-Based Single Ion Conducting Solid-State Electrolytes for Low-Temperature Lithium Metal Batteries

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作者
Fulong Zhu,Hongfei Bao,Xue-Song Wu,Yanli Tao,Chao Qin,Zhong‐Min Su,Zhenhui Kang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (46): 43206-43213 被引量:135
标识
DOI:10.1021/acsami.9b15374
摘要

Single-ionic conducting electrolytes are important for the improvement of lithium metal batteries with high energy density and safety. Herein, we propose a new strategy to anchor a large anionic group on the skeleton of metal-organic frameworks (MOFs) and achieve preeminent single-ionic conducting electrolytes. Utilizing a postsynthetic modification method, the trifluoromethanesulfonyl group is covalently coordinated to the amino groups of the UiO-66-NH2 framework. Such a single-ionic conducting solid-state electrolyte (SSE) has a high ionic conductivity (2.07 × 10-4 S cm-1 at 25 °C), a low activation energy of 0.31 eV, a wide electrochemical window up to 4.52 V, as well as a high Li+ transference number of 0.84. Simultaneously, it can effectively inhibit the formation of lithium dendrite. Solid-state batteries assembled with LiFePO4 as the cathode exhibit outstanding rate performance and cyclic stability, especially for low-temperature Li-metal batteries at 0 °C with trace amounts of propylene carbonate as wetting agents. More importantly, the corresponding all-solid-state batteries based on an MOF-based SSE also have nearly 100% Coulombic efficiency at different current densities.
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