Solid-State Electrolytes with Ce-Doped LiNbO 3 Nanofiber Fillers Enable High-Performance Lithium Metal Batteries

材料科学 电解质 纳米纤维 离子电导率 复合数 电导率 化学工程 锂(药物) 金属锂 铌酸锂 纳米技术 金属 静电纺丝 快离子导体 复合材料 离子键合 离解(化学)
作者
Zhanghao Cheng,Siyao Li,Xingying Wu,Yichi Zhang,Chenyu Wang,Yuezhen Mao,Chunwen Sun
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (10): 15098-15108 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.5c24231
摘要

As one of the most widely used composite electrolyte matrices, poly(vinylidene fluoride- co -hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) offers many advantages, such as excellent mechanical flexibility and a high dielectric constant. However, its inadequate mechanical strength leads to a limited ability to inhibit the growth of lithium dendrites, thus restricting its performance in solid-state lithium metal batteries. The key to overcoming this bottleneck lies in incorporating fillers to simultaneously improve the ionic conductivity and mechanical robustness of the electrolyte. In this work, lithium niobate (LiNbO 3 ) and Ce-doped lithium niobate (LiNb 0.9 Ce 0.1 O 3 ) nanofibers were employed as fillers in the PVDF-HFP-based electrolyte to promote the dissociation of lithium salts, thereby establishing a microenvironment conducive to efficient lithium-ion transport. The results demonstrate that when LiNb 0.9 Ce 0.1 O 3 nanofibers are incorporated as electrolyte fillers, the dissociation of lithium salt is enhanced, thereby improving the ionic conductivity and Li + transference number of the composite electrolyte. Furthermore, the composite solid electrolyte incorporated with LiNb 0.9 Ce 0.1 O 3 nanofibers (LNCO CSE) exhibited an exceptional dendrite suppression capability, enabling lithium symmetric cells to operate stably at 0.1 mA cm –2 for over 1100 h. The Li||LNCO CSE||LiFePO 4 full cells demonstrated outstanding rate performance and long-term cycling stability, delivering a reversible specific capacity of 136.9 mAh g –1 after 600 cycles at 1C. Furthermore, the Li||LNCO CSE||LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 full cell also exhibited excellent rate capability, and its capacity retention rate reaches as high as 74.1% after 500 cycles at 0.5 C.
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