Asymmetric Ultrathin Salt-Rich Composite Polymer Electrolyte Formed by Spin Coating for High-Performance Lithium Metal Batteries

材料科学 电解质 聚偏氟乙烯 法拉第效率 阳极 化学工程 锂(药物) 阴极 聚合物 离子电导率 磷酸钒锂电池 复合数 无机化学 涂层 钛酸锂 氧化物 金属 电化学
作者
Shuaitian Jia,Linxin Yang,Yanpei Wang,Li Zhang,Langli Luo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.6c08312
摘要

Solid-state lithium metal batteries (SSLMBs) are being intensively explored as next-generation energy storage solutions, combining high energy density with enhanced safety. However, conventional composite polymer electrolytes face critical challenges including low room-temperature ionic conductivity, limited lithium ion (Li + ) transference numbers, and mechanically incompatible interfaces. Herein, we design a spin-coated asymmetric high-salt polymer electrolyte where a polyvinylidene fluoride (PVDF) framework spans the entire membrane while a sulfolane-containing polyethylene oxide (PEO)/lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI)-rich cathode-side layer establishes a high-dielectric microenvironment. This converts ion aggregates into free Li + coordinated with ether oxygens, endowing the cathode side with low interfacial impedance and a robust solid electrolyte interphase (CEI). Meanwhile, the anode side maintains high modulus and homogenized Li + flux to suppress dendrite growth. Dispersed lithium lanthanum titanate (LLTO) fillers further construct an inorganic percolated pathway for Li + transport. This spin-coated asymmetric electrolyte achieves an optimized Li + transference number of 0.78. Full cells paired with lithium iron phosphate (LFP) and Li anodes deliver 82.5% capacity retention after 500 cycles accompanied by nearly 100% Coulombic efficiency and excellent rate-capability recovery. Our results highlight the potential of this asymmetric high-salt polymer electrolyte platform for developing thin, high-energy density SSLMBs.
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