Versatile Inorganic/Polymer Composite Electrolyte Added with 2-Methylsuccinic Anhydride via a Solvent-Free Preparation Method for High-Performance All-Solid-State Li-Metal Batteries: High Voltage, Long Cycle Life, and Room-Temperature Operation

材料科学 电解质 阳极 复合数 储能 化学工程 锂(药物) 电化学 快离子导体 电池(电) 阴极 纳米技术 化学 复合材料 电极 医学 量子力学 物理 工程类 内分泌学 物理化学 功率(物理)
作者
Pengcheng Zhou,Yuxian Liu,Jian Chen,Huiyang Li
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:11 (36): 13458-13469
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c03756
摘要

Solid-state Li-metal batteries (LMBs) with a high room-temperature energy density, long cycle life, and remarkable flexibility and safety are necessary for practical energy-storage applications. In this study, 2-methylsuccinic anhydride was used as a novel additive to fabricate a series of all-solid-state inorganic/polymer composite electrolytes (IPCEs) using a completely solvent-free hot-pressing process instead of the conventional solution-casting method. This electrolyte comprises a poly(ethylene oxide) framework that is hybridized with a Li6.4Al0.24La3Zr2O12 inorganic filler. The freestanding IPCE membrane exhibited long-term stability against Li metal and a high ion conductivity of 2.4 × 10–4 S cm–1 at 25 °C, showing an appreciable transference number of 0.87. All-solid-state LMBs (ASSLBs) fabricated using this IPCE, high-voltage LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC811) cathode, and lithium foil anode achieved a specific capacity of 163 mA h g–1 at 0.5C and 25 °C. The IPCE inhibited lithium dendrite growth and eventually delivered an excellent battery cycling performance beyond 400 cycles. Moreover, this ASSLB performed well even at 15 °C and showed notable rate performance at 35 °C, at which a capacity of 143 mA h g–1 at 2C was realized for 133 cycles. Remarkably, a pouch cell based on this system exhibited good electrochemical performance, flexibility, and safety. This ASSLB holds great promise for practical energy-storage applications.
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