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Regulation of Li-ion flux by metal organic framework in compact quasi-solid-state electrolyte for wide-temperature lithium-metal batteries

电解质 锂(药物) 金属锂 焊剂(冶金) 金属 材料科学 无机化学 固态 离子 化学工程 化学 电极 冶金 有机化学 物理化学 内分泌学 工程类 医学
作者
Jie Zhou,Yawen Li,Zhengfeng Zhu,Xiangfei Li,Kaijie Lu,Zhuoyuan Zheng,Yusong Zhu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:521: 166767-166767 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.cej.2025.166767
摘要

The practical application of lithium metal anodes is hindered by uncontrolled growth of lithium dendrites, which can ulteriorly exacerbate at low or high temperature. To address these issues, a dense quasi-solid-state electrolyte (CPLZ) operating at wide-temperature-range is prepared based on cellulose acetate (CA) and polyvinylidene fluoride (PVDF) as polymer matrices, metal organic framework (ZIF-8) as nanofiller, LiTFSI as Li-ion source. The Raman spectra confirms the strong interaction between ZIF-8 and TFSI − and FTIR spectra verifies ZIF-8 weakens the adsorption of Li + on CA, which can promote Li salt dissociation, accelerate the Li + transport and regulate the Li + flux, thereby facilitating uniform lithium deposition. Meanwhile, the addition of ZIF-8 greatly improves dendrite suppression by enhancing CPLZ's mechanical strength. The obtained CPLZ electrolyte exhibits a high ionic conductivity over a wide temperature range (6.9 × 10 −4 S cm −1 at room temperature), a high ion migration number (0.57 at room temperature) and achieves the stable and reversible lithium deposition and stripping over 400 h. Furthermore, the assembled Li|CPLZ|LiFePO 4 cells exhibit the discharge-capacity of 133.9 mA h g −1 at 3C after 400 cycles at room temperature. Most importantly, thanks to high ion transport and interface stability, the Li|CPLZ|LiFePO 4 batteries exhibit an excellent wide-temperature-range operation with stable cycling over 500 cycles with the discharge-capacity of 138.1 mA h g −1 at 1C at 60 °C and the capacity retain up to 60 % of room temperature at −15 °C. This research provides valuable insights for advancing lithium metal batteries characterized by enhanced safety and prolonged cycle stability at wide-temperature-range. A dense quasi-solid-state electrolyte (CPLZ) operating at wide-temperature-range is prepared for Li-metal battery, where ZIF-8 with the regulated Li + flux and the enhanced mechanical strength inhibits the dendrite grow and improve interfacial stability. • A compact quasi-solid polymer electrolyte (CPLZ) is designed for wide-temperature lithium-metal batteries. • ZIF-8 improves the ionic conductivity over a wide temperature range and tensile strength. • This CPLZ demonstrates stable and reversible lithium deposition and stripping over 400 h. • Li|CPLZ|LFP battery exhibits an ultra-stable cycling (96% retain) over 500 cycles at 60 °C. • Li|CPLZ|LFP battery achieves the capacity retain up to 60% of room temperature at -15 °C.
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