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Solid-State Lithium Batteries with In Situ Polymerized Acrylate-Based Electrolytes Capable of Electrochemically Stable Operation at 100 °C

材料科学 锂(药物) 丙烯酸酯 电解质 原位 聚合 电极 固态 金属锂 原位聚合 化学工程 无机化学 聚合物 有机化学 共聚物 复合材料 物理化学 化学 内分泌学 工程类 医学
作者
Ashwin Sankara Raman,Billy Johnson,Samik Jhulki,Vismay Chandra,Johannes Leisen,Morgan Avis,Sam Dong,Riley Butcher,Aashray Narla,Haewon Lee,Wenbin Fu,Gleb Yushin
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (43): 58506-58519 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsami.4c09655
摘要

Solid polymer electrolytes (SPEs) typically consist of salts with mobile anions that could cause instabilities and parasitic side reactions in solid-state lithium (Li) batteries. To address this challenge, single-Li-ion conducting (SLIC) SPEs, where anions of Li salts are covalently attached to the polymer backbone, have been utilized to reduce the number of mobile anions. This approach improves the cationic transference number but is accompanied by a loss of ionic conductivity. In this work, we investigate a synergetic approach of using both a polymerizable SLIC salt and a conventional Li salt in a polymer matrix by in situ polymerization of the poly(propylene glycol) acrylate (PPGA) monomer. The synthesized hybrid SPEs show a high ionic conductivity of up to ∼2 × 10–4 S cm–1 and a relatively high Li-ion transference number of ∼0.4. With a significantly reduced fraction of mobile anions in the combined salt SPE, in situ polymerized SPE cells with a LiFePO4 (LFP) cathode achieve a stable performance for over 100 cycles at temperatures as high as 100 °C, which is unattainable with conventional Li salts or electrolytes. Furthermore, solid-state nuclear magnetic resonance spectra provide additional insights into differences in Li nucleus environments and emphasize a reduction in activation energy for hybrid SPEs due to their more open structure. This study opens the path for the fabrication of high-performance solid polymer Li batteries capable of operating at high temperatures using commercial battery fabrication equipment, as in situ polymerized acrylate-based polymers provide drop-in compatibility with conventional battery production, ease of acrylate polymerization, and inexpensive, facile SPE chemistry. We expect that further tuning of the acrylate-based SPE composition may allow further increases in its conductivity without sacrificing its electrochemical stability or mechanical properties.
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