High-safety composite solid electrolyte based on inorganic matrix for solid-state lithium-metal batteries

材料科学 电解质 陶瓷 快离子导体 复合材料 离子电导率 锂(药物) 复合数 热传导 聚合物 介电谱 电极 化学工程 电化学 物理化学 工程类 医学 化学 内分泌学
作者
Qilin Hu,Zhetao Sun,Lu Nie,Shaojie Chen,Jiameng Yu,Wei Liu
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier BV]
卷期号:27: 101052-101052 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2022.101052
摘要

Composite solid electrolytes (CSEs) combine the advantages of polymer electrolytes and inorganic ceramic electrolytes, which have attracted increasing attention for solid-state lithium-metal batteries. However, the most studied polymer-based CSEs are easily ignited and can be penetrated by lithium (Li) dendrite, leading to safety issue. Herein, we report CSEs with very high inorganic ceramic loadings of >90% by a cold sintering method at a low temperature of 200°C. The ceramic-based CSEs show better safety and mechanical properties than polymer-based CSEs. The Li symmetric cell–symmetric Li-ion cells have the same material as the positive and negative electrode [when cells are assembled one would already contain lithium and the other would not]–using the ceramic-based CSE delivers a stable cycling performance of over 550 h at the current density of 0.3 mA/cm2. More importantly, according to the electrochemical impedance spectroscopy (EIS), Debye diagram, and power law equation, the Li-ion conduction mechanism in CSEs is systematically investigated. Using a modified brick layer model, the conductivities for Li-ions transport parallel with ceramic/polymer interfaces are calculated to be five orders of magnitudes higher than that perpendicular to the interfaces. This work provides a new analytical method for inorganic matrix based CSEs for high-safety batteries and conducts an in-depth research on the ion conduction mechanism.
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