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Three-Dimensional Metal–Organic Framework@Cellulose Skeleton-Reinforced Composite Polymer Electrolyte for All-Solid-State Lithium Metal Battery

材料科学 电解质 复合数 锂(药物) 电化学窗口 离子电导率 聚合物 电池(电) 电化学 氧化物 环氧乙烷 化学工程 复合材料 电极 化学 冶金 共聚物 医学 功率(物理) 物理 物理化学 量子力学 工程类 内分泌学
作者
Xin Song,Kang Ma,Jian Wang,Han Wang,Haijiao Xie,Zongmin Zheng,Jianmin Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (19): 12311-12324 被引量:81
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c01257
摘要

High-safety and high-energy-density solid-state lithium metal batteries (SSLMBs) attract tremendous interest in both academia and industry. Especially, composite polymer electrolytes (CPEs) can overcome the limitations of single-component solid-state electrolytes. In this work, a strategy of combining a rigid functional skeleton with a soft polymer electrolyte to prepare reinforced CPEs was adopted. The in situ grown zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) with three-dimensional cellulose fiber skeleton (ZIF-67@CF) and succinonitrile (SN) plasticizer into poly(ethylene oxide) (PEO) together form ZIF-67@CF/PEO-SN CPEs. The addition of ZIF-67@CF and SN to PEO synergistically enhanced the physical and electrochemical properties of CPEs. Furthermore, the conduction mechanism of lithium-ion (Li+) in CPEs was studied using density functional theory. It is impressive that the ZIF-67@CF/PEO-SN CPEs at 30 °C exhibit a high ionic conductivity of 1.17 × 10-4 S cm-1, a competitive Li+ transference number of 0.40, a wide electrochemical window of 5.0 V, a notable tensile strength of 18.7 MPa, and superior lithium plating/stripping stability (>550 h at 0.1 mA cm2). Such favorable features endowed LiFePO4/(ZIF-67@CF/PEO-SN)/Li cell at 30 °C with a high discharging capacity (152.5 mA h g-1 at 0.2 C), a long cycling lifespan (>150 cycles with 99% capacity retention), and superior operating safety. This work provides insights and promotes the application of functionalized CPEs for SSLMBs.
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