Multi-Dimensional Optimized Interfaces with Rich Hydrogen-Bond Networks in Composite Solid Electrolytes for Interface-Dominated Li+ Transport

材料科学 复合数 接口(物质) 电解质 快离子导体 氢键 化学物理 化学工程 物理化学 分子 化学 复合材料 电极 有机化学 工程类 毛细管作用 毛细管数
作者
Yu Cheng,Lulu Du,Xiaowei Liu,Hong Zhang,Xidan Xiao,Xinkuan Hu,Guangyao Dong,Yingkui Yang,Lin Xu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (32): 29096-29108 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c00198
摘要

Rapid Li+ transport channels in composite solid electrolytes (CSEs) are often attributed to organic–inorganic interfaces. However, slow Li+ transport through polymer chains is still dominant due to inefficient interface construction and weak interface interactions. In this study, interface-dominated Li+ transport was achieved in ultracompatible CSEs by modifying sub-1 nm inorganic cluster chains (ICCs) with polyether amine (PEA). The abundant amino groups in PEA made ICCs monodisperse in the PVDF-HFP matrix and form hydrogen bonds with polymer chains. The distribution of organic–inorganic interfaces and interfacial hydrogen bonds was amplified by the multidimensional optimized interfaces. Moreover, the direction of −CF2– groups was regulated by the hydrogen bonds to provide rich and continuous interface interaction sites and local charge accumulation regions for more free Li+ and more Li+ transport pathways, thereby making the Li+ interface transport dominant (52%) for the overall Li+ transport in CSEs. Consequently, the as-obtained composite solid electrolyte exhibits exceptional room temperature ionic conductivity (0.53 mS cm–1), a substantial Li+ transference number (0.65), and a stable cycling performance (95% capacity retention of NCM/Li batteries after 500 cycles at 0.5 C). This work introduces key concepts for the practical application of ICCs and outlines core design principles for composite solid electrolytes.
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