Dielectric polymer based electrolytes for high-performance all-solid-state lithium metal batteries

材料科学 电解质 离子电导率 电介质 聚合物 锂(药物) 化学工程 极化(电化学) 电导率 金属锂 复合材料 光电子学 电极 化学 物理化学 医学 工程类 内分泌学
作者
Qi Kang,Yong Li,Zechao Zhuang,Dingsheng Wang,Chunyi Zhi,Pingkai Jiang,Xingyi Huang
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:69: 194-204 被引量:121
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2022.01.008
摘要

Solid polymer electrolytes (SPEs) are urgently required for achieving practical all-solid-state lithium metal batteries (ASSLMBs) but remain plagued by low ionic conductivity. Herein, we propose a strategy of salt polarization to fabricate a highly ion-conductive SPE by employing a high-dielectric polymer that can interact strongly with lithium salts. Such a polymer with large dipole moments can guide lithium cations (Li+) to be arranged along the chain, forming a continuous pathway for Li+ hopping within the SPE. The as-fabricated SPE, poly(vinylidene difluoride) (PVDF)-LiN(SO2F)2 (LiFSI), has an extraordinarily high dielectric constant (up to 108) and ultrahigh ionic conductivity (0.77 × 10−3 S cm−1). Based on the PVDF–LiFSI SPE, the assembled Li metal symmetrical cell shows excellent Li plating/stripping reversibility at 0.1 mA cm−2, 0.1 mAh cm−2 over 1500 h; the ASS LiFePO4 batteries deliver long-term cycling stability at 1 C over 350 cycles (2.74 mg cm−2) and an ultralong cycling lifespan of over 2600 h (100 cycles) with high loading (11.5 mg cm−2) at 28 °C. First-principles calculations further reveal the ion-dipole interactions-controlled conduction of Li+ in PVDF–LiFSI SPE along the PVDF chain. This work highlights the critical role of dielectric permittivity in SPE, and provides a promising path towards high-energy, long-cycling lifespan ASSLMBs.
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