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A mechano-integrated gradient electrolyte for long-cycling solid-state lithium metal batteries

材料科学 电解质 锂(药物) 离子电导率 保形涂层 电极 化学工程 复合材料 电化学窗口 聚氨酯 电化学 聚合物 电导率 石墨烯 金属 钛酸锂 分层(地质) 离子键合 枝晶(数学) 降级(电信) 渗透(认知心理学) 粘弹性 半电池 基质(化学分析) 金属锂
作者
Xiaoping Yi,Guoqing Qi,Wending Pan,Kaishan Xiao,Yi Yang,Yi Yang,Bitong Wang,X Zhao,Xunliang Liu,Hong Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-74573-0
摘要

Abstract Overcoming interfacial mechano-electrochemical failure remains a fundamental challenge in solid-state lithium metal batteries, where polymers offer conformal interfacial contact but suffer from low ionic conductivity, while oxides/sulfides provide high ionic conductivity but face severe interfacial issues. Here we show a mechano-integrated gradient electrolyte based on a hydrogen-bonded polyurethane matrix with dual chain extenders. The polyurethane matrix exhibits high viscoelasticity (>5000% fracture strain) and self-healing, allowing high filler loading and continuous triphasic lithium-ion percolation networks. A spatially graded Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 architecture (10–100 wt%) decouples interfacial requirements: conformal contact with lithium metal negative electrode, high ionic conductivity (~10 −4 S cm −1 ), and an electrochemical stability window up to 4.9 V. The homologous polymer framework eliminates chemo-mechanical degradation while providing mechanical strength (>80 MPa) and solution processability. This integrated design suppresses interfacial delamination and dendrite growth (>7500 h of stable lithium plating/stripping), and mitigates positive electrode degradation (74% capacity retention after 1000 cycles in Li | |LiFePO 4 cells at 0.5 C and stable operation in stack-pressure-free NCM811 pouch cells). This work provides a scalable platform for high-energy-density, long-lifespan solid-state lithium metal batteries.
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