Competitive Ion Coordination in Gel Polymer Electrolytes Enables Decoupling of Mechanical Strength and Ionic Conductivity

材料科学 离子电导率 化学工程 电解质 聚合物 高分子化学 复合材料 物理化学 化学 电极 工程类
作者
Haonan Wang,Jiaojiao Yang,Xinyan Xu,Jia Geng,Xing Lin,Henghui Xu,Yunhui Huang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (41): e04625-e04625 被引量:15
标识
DOI:10.1002/adma.202504625
摘要

Gel polymer electrolytes (GPEs) show great potential for lithium-metal batteries, but balancing high ionic conductivity with robust mechanical properties remains challenging. In this study, a competitive coordination strategy is proposed to address this issue by incorporating highly polar succinonitrile (SN) into a poly(methyl methacrylate-co-methacrylamide) (PMAm) matrix. The strong Li+ affinity of SN enables effective displacement of lithium ions from polymer hydrogen-bonding sites, maintaining the polymer's structural integrity while enhancing mechanical strength. Additionally, the hydrogen bonding between polymer chains compresses the polymer matrix, inducing molecular aggregation that creates fast diffusion pathways for Li+ and promotes anion participation in the solvation shell, facilitating the formation of a stable, inorganic-rich solid electrolyte interphase (SEI). As a result, the resulting PMAm-SN GPE exhibits excellent toughness (24.8 MJ m-3), high ionic conductivity (2.8 mS cm-1 at 25 °C) and high Li+ transference number of 0.76. When paired with a LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 cathode, the GPE demonstrates a 90% capacity retention after 500 cycles at 4.3 V. A practical 5 Ah Li/LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 pouch cell delivers 456 Wh kg-1 energy density and demonstrates outstanding safety under thermal and mechanical abuse, showcasing the potential of this GPE for practical applications.
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