Significant electrochemical performance improvement of an anion MOF-based solid-state electrolyte across a wide temperature range via an ion exchange strategy

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作者
Changqi Gu,Wenyu Ding,Sheng Jin,Xinyu Tang,Xiangwu Zhang,Fan Li,Zhiliang Liu,Xiao‐Min Kang
出处
期刊:Dalton Transactions [Royal Society of Chemistry]
卷期号:54 (35): 13093-13102
标识
DOI:10.1039/d5dt01485a
摘要

Low ionic conductivity (σ) and high activation energy (Ea) seriously hinder the development of solid-state electrolytes (SSEs). Herein, a series of post-modified Li+@Ni-MOF-X (X = 1, 2, and 3) materials were synthesized via an ion exchange method based on a 3D anionic trinuclear cluster-based metal-organic framework (MOF) (Ni-MOF: {[H2N(CH3)2]2[Ni33-O) (XN)(BDC)3]·6DMF}n). Compared with the pristine Ni-MOF, Li+@Ni-MOF-2 exhibited significantly enhanced performance as SSEs, featuring a higher σ of 1.28 × 10-3 S cm-1, a larger lithium-ion transference number (tLi+) of 0.76, and a wider electrochemical stability window (ESW) of 5.3 V at room temperature (Ni-MOF: 2.19 × 10-4 S cm-1, 0.57, and 5.0 V). Notably, Li+@Ni-MOF-2 maintained excellent σ even at -40 °C (2.12 × 10-4 S cm-1) and exhibited an ultra-low Ea (0.08 eV) from 10 to 100 °C, demonstrating potential practical application over a wide temperature range. Moreover, LiFePO4|Li+@Ni-MOF-2|Li full cells stably cycled for 150 cycles at 0.1 C with a capacity retention of 81.30%. This work has enriched the types of MOF-based SSEs, providing the possibility for the application of lithium-ion SSEs in a wide temperature range.
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