Bio-Inspired Polydopamine-Modified ZIF-90-Supported Gel Polymer Electrolyte for High-Safety Lithium Metal Batteries

材料科学 电解质 化学工程 锂(药物) 离子电导率 离子液体 金属有机骨架 热稳定性 纳米颗粒 聚合物 纳米技术 吸附 电极 化学 有机化学 复合材料 医学 物理化学 工程类 内分泌学 催化作用
作者
Dongyun Wang,Biyu Jin,Xinyu Yao,Jiao Huang,Yongyuan Ren,Xiaolong Xu,Xiao Han,Fanqun Li,Feng Gao,Xiaoli Zhan,Qinghua Zhang
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (21): 11146-11156
标识
DOI:10.1021/acsaem.3c01958
摘要

Gel polymer electrolytes (GPEs) with high ionic conductivity and good flexibility have emerged as promising alternatives to traditional liquid electrolytes. Metal–organic frameworks (MOFs), with a hierarchical pore structure and high porosity, have attracted widespread attention as high-performance solid electrolytes. However, severe agglomeration of MOF particles hampers Li+ transport, and the flammability of organic liquid electrolytes in GPEs poses safety risks. Herein, inspired by the bioadhesive properties of marine mussels, we developed novel polydopamine (PDA)-modified zeolitic imidazole framework-90 (ZIF-90) nanoparticles to act as a robust support layer. Based on the nonflammability and environmental friendliness of ionic liquids (ILs), through thiol–ene click chemistry, an IL-based gel is fabricated. PDA exhibits exceptional interfacial bonding between organic and inorganic components, thereby facilitating efficient Li+ transfer. The stable three-dimensional open framework of ZIF-90 anchors bulky ions of IL and lithium salt while allowing unrestricted movement of small Li+. The nanowetting interface formed by ZIF-90 and IL, along with the polyether segments on the gel backbone, further facilitates Li+ migration. The resulting ZIF-90@PDA GPE exhibits a high ionic conductivity of 2.98 × 10–4 S cm–1 at 30 °C and a lithium-ion transference number of 0.43. Moreover, enhanced suppression of lithium dendrite growth, along with notable thermal stability and flame retardancy is achieved. The assembled LiFePO4/Li cell demonstrates remarkable cycling performance, exhibiting an initial discharge capacity of 140 mAh g–1 at 30 °C and 0.5 C, with a capacity retention of 90% after 300 cycles.
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