Ultrathin, flexible, solid polymer composite electrolyte enabled with aligned nanoporous host for lithium batteries

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作者
Jiayu Wan,Jin Xie,Xian Kong,Zhe Liu,Kai Liu,Feifei Shi,Allen Pei,Hao Chen,Wei Chen,Jun Chen,Xiaokun Zhang,Linqi Zong,Jiangyan Wang,Long‐Qing Chen,Jian Qin,Yi Cui
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:14 (7): 705-711 被引量:1159
标识
DOI:10.1038/s41565-019-0465-3
摘要

The urgent need for safer batteries is leading research to all-solid-state lithium-based cells. To achieve energy density comparable to liquid electrolyte-based cells, ultrathin and lightweight solid electrolytes with high ionic conductivity are desired. However, solid electrolytes with comparable thicknesses to commercial polymer electrolyte separators (~10 μm) used in liquid electrolytes remain challenging to make because of the increased risk of short-circuiting the battery. Here, we report on a polymer–polymer solid-state electrolyte design, demonstrated with an 8.6-μm-thick nanoporous polyimide (PI) film filled with polyethylene oxide/lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PEO/LiTFSI) that can be used as a safe solid polymer electrolyte. The PI film is nonflammable and mechanically strong, preventing batteries from short-circuiting even after more than 1,000 h of cycling, and the vertical channels enhance the ionic conductivity (2.3 × 10−4 S cm−1 at 30 °C) of the infused polymer electrolyte. All-solid-state lithium-ion batteries fabricated with PI/PEO/LiTFSI solid electrolyte show good cycling performance (200 cycles at C/2 rate) at 60 °C and withstand abuse tests such as bending, cutting and nail penetration. A nanoporous polyimide film filled with a solid polymer electrolyte has high ionic conductivity and high mechanical strength. An all-solid-state battery made with an approximately 10-μm-thick film shows good cyclability at 60 °C and no dendrite formation.
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