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In situ initiator-free gelation of highly concentrated lithium bis(fluorosulfonyl)imide-1,3-dioxolane solid polymer electrolyte for high performance lithium-metal batteries

材料科学 锂(药物) 电解质 聚合物 离子电导率 快离子导体 法拉第效率 离子键合 化学工程 有机化学 电极 复合材料 离子 化学 物理化学 工程类 内分泌学 医学
作者
Hao Cheng,Jiajia Zhu,Han Jin,Gao Cheng,H. Liu,Ning Cai,Yan Liu,Ping Zhang,Miao Wang
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier BV]
卷期号:20: 100623-100623 被引量:74
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2020.100623
摘要

The safety concern on the uncontrollable growth of lithium dendrites in liquid electrolytes is the main challenge for high performance lithium-metal batteries. The traditional ex situ solid electrolytes can solve these issues to a great extent but are still plagued by low ionic conductivity, low Li+ transference number, and high interfacial impedance. Herein, a solid polymer electrolyte (SPE) with highly concentrated (3.5 M) lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) in 1,3-dioxolane (DOL) is developed via a simple in situ initiator-free gelation route at room temperature. This simple and ingeniously designed in situ SPE integrates a high ionic conductivity (7.9 mS cm−1 at room temperature), high Li+ transference number (0.82), and low interface impedance. As a result, the in situ 3.5 M LiFSI-DOL SPE demonstrates a superior lithium dendrite-free behavior, which enables the Li|Li symmetric battery to be stably stripped/plated for more than 1000 cycles with a low overpotential of 45 mV at 5 mA cm−2 and 5 mAh cm−2. Moreover, the Li|Cu battery with the in situ 3.5 M LiFSI-DOL SPE also exhibits a high coulombic efficiency (CE) up to 98.0% at 5 mA cm−2. In addition, the in situ 3.5 M LiFSI-DOL SPE used in the Li|LiFePO4 battery leads to superior cycle life (500 cycles), CE (98.8%), rate performance, and good mechanical flexibility. Remarkably, the Li-S batteries with the in situ 3.5 M LiFSI-DOL SPE also show good compatibility and stability. This work shows tremendous prospect toward high performance solid-state lithium-metal batteries by combining the in situ polymerization and high concentration electrolyte.
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