Single-Ion Polymer-in-Salt Electrolytes Enabling Percolating Ionic Nanoaggregates for Ambient-Temperature Solid-State Batteries

化学 电解质 盐(化学) 离子键合 离子 聚合物 聚合物电解质 固态 快离子导体 无机化学 离子电导率 化学工程 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Huaijiao Wang,Peng Wen,Yixuan Liu,Shantao Han,Zexi Zhang,Yifei Xu,Mao Chen,Xinrong Lin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (17): 14554-14563 被引量:15
标识
DOI:10.1021/jacs.5c01574
摘要

Solid polymer electrolytes (SPEs) with high ion conduction and interfacial stability are crucial for advancing high-performance solid-state batteries. While tuning electrolytes with weak solvation structures shows promise in enhancing interfacial stability, it remains challenging to concurrently achieve high Li+ conductivity. Herein, we introduce a single-ion polymer-in-salt (SIP-in-salt) electrolyte, which not only provides additional charge carriers and enhanced salt compatibility via an ionic polymer backbone but also forms nanometric percolating ionic aggregates (p-AGGs) at high salt concentrations. Unlike state-of-the-art weak solvation structures, p-AGGs are found to be homogeneous, interconnected, and possess enhanced Li+-anion dissociation, allowing structural diffusion over reduced distances and continuous Li+ transport pathways. The SIP-in-salt electrolyte enables a 100-fold improvement in Li+ conductivity compared to traditional polymer-in-salt electrolytes, lowering the operational temperature of SPE-based solid-state batteries to 25 °C. This work demonstrates a promising strategy for advancing SPEs by tuning ionic solvation structures, paving the way for next-generation high-performance batteries.
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