Improving Li-ion interfacial transport in hybrid solid electrolytes

电解质 快离子导体 材料科学 离子 离子运输机 化学工程 纳米技术 电极 化学 有机化学 物理化学 工程类
作者
Ming Liu,Shengnan Zhang,Ernst R. H. van Eck,Chao Wang,Swapna Ganapathy,Marnix Wagemaker
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:17 (9): 959-967 被引量:150
标识
DOI:10.1038/s41565-022-01162-9
摘要

The development of commercial solid-state batteries has to date been hindered by the individual limitations of inorganic and organic solid electrolytes, motivating hybrid concepts. However, the room-temperature conductivity of hybrid solid electrolytes is still insufficient to support the required battery performance. A key challenge is to assess the Li-ion transport over the inorganic and organic interfaces and relate this to surface chemistry. Here we study the interphase structure and the Li-ion transport across the interface of hybrid solid electrolytes using solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy. In a hybrid solid polyethylene oxide polymer–inorganic electrolyte, we introduce two representative types of ionic liquid that have different miscibilities with the polymer. The poorly miscible ionic liquid wets the polymer–inorganic interface and increases the local polarizability. This lowers the diffusional barrier, resulting in an overall room-temperature conductivity of 2.47 × 10−4 S cm−1. A critical current density of 0.25 mA cm−2 versus a Li-metal anode shows improved stability, allowing cycling of a LiFePO4–Li-metal solid-state cell at room temperature with a Coulombic efficiency of 99.9%. Tailoring the local interface environment between the inorganic and organic solid electrolyte components in hybrid solid electrolytes seems to be a viable route towards designing highly conducting hybrid solid electrolytes. NMR measurements show that the interface between the inorganic and organic components can be tailored to design a highly conducting hybrid solid electrolyte.
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