Interfacial Chemistry Enables Stable Cycling of All-Solid-State Li Metal Batteries at High Current Densities

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作者
Biyi Xu,Xinyu Li,Changchun Yang,Yutao Li,Nicholas S. Grundish,Po−Hsiu Chien,Kang Dong,Ingo Manke,Ruyi Fang,Nan Wu,Henghui Xu,Andrei Dolocan,John B. Goodenough
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (17): 6542-6550 被引量:202
标识
DOI:10.1021/jacs.1c00752
摘要

The application of flexible, robust, and low-cost solid polymer electrolytes in next-generation all-solid-state lithium metal batteries has been hindered by the low room-temperature ionic conductivity of these electrolytes and the small critical current density of the batteries. Both issues stem from the low mobility of Li+ ions in the polymer and the fast lithium dendrite growth at the Li metal/electrolyte interface. Herein, Mg(ClO4)2 is demonstrated to be an effective additive in the poly(ethylene oxide) (PEO)-based composite electrolyte to regulate Li+ ion transport and manipulate the Li metal/electrolyte interfacial performance. By combining experimental and computational studies, we show that Mg2+ ions are immobile in a PEO host due to coordination with ether oxygen and anions of lithium salts, which enhances the mobility of Li+ ions; more importantly, an in-situ formed Li+-conducting Li2MgCl4/LiF interfacial layer homogenizes the Li+ flux during plating and increases the critical current density up to a record 2 mA cm–2. Each of these factors contributes to the assembly of competitive all-solid-state Li/Li, LiFePO4/Li, and LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2/Li cells, demonstrating the importance of surface chemistry and interfacial engineering in the design of all-solid-state Li metal batteries for high-current-density applications.
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