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PVDF/Palygorskite Nanowire Composite Electrolyte for 4 V Rechargeable Lithium Batteries with High Energy Density

材料科学 坡缕石 电解质 锂(药物) 复合数 化学工程 能量密度 电化学 电极 复合材料 纳米线 无机化学 纳米技术 工程物理 矿物学 化学 物理 粘土矿物 工程类 物理化学 医学 内分泌学
作者
Pengcheng Yao,Bin Zhu,Haowei Zhai,Xiangbiao Liao,Yuxiang Zhu,Weiheng Xu,Qian Cheng,Charles Jayyosi,Zheng Li,Jia Zhu,Kristin M. Myers,Xi Chen,Yuan Yang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:18 (10): 6113-6120 被引量:305
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b01421
摘要

Solid electrolytes are crucial for the development of solid state batteries. Among different types of solid electrolytes, poly(ethylene oxide) (PEO)-based polymer electrolytes have attracted extensive attention owing to their excellent flexibility and easiness for processing. However, their relatively low ionic conductivities and electrochemical instability above 4 V limit their applications in batteries with high energy density. Herein, we prepared poly(vinylidene fluoride) (PVDF) polymer electrolytes with an organic plasticizer, which possesses compatibility with 4 V cathode and high ionic conductivity (1.2 × 10-4 S/cm) at room temperature. We also revealed the importance of plasticizer content to the ionic conductivity. To address weak mechanical strength of the PVDF electrolyte with plasticizer, we introduced palygorskite ((Mg,Al)2Si4O10(OH)) nanowires as a new ceramic filler to form composite solid electrolytes (CPE), which greatly enhances both stiffness and toughness of PVDF-based polymer electrolyte. With 5 wt % of palygorskite nanowires, not only does the elastic modulus of PVDF CPE increase from 9.0 to 96 MPa but also its yield stress is enhanced by 200%. Moreover, numerical modeling uncovers that the strong nanowire-polymer interaction and cross-linking network of nanowires are responsible for such significant enhancement in mechanically robustness. The addition of 5% palygorskite nanowires also enhances transference number of Li+ from 0.21 to 0.54 due to interaction between palygorskite and ClO4- ions. We further demonstrate full cells based on Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 (NMC111) cathode, PVDF/palygorskite CPE, and lithium anode, which can be cycled over 200 times at 0.3 C, with 97% capacity retention. Moreover, the PVDF matrix is much less flammable than PEO electrolytes. Our work illustrates that the PVDF/palygorskite CPE is a promising electrolyte for solid state batteries.
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