Oxygen-Deficient Nb2O5-Filled PEO Polymer Electrolyte Enabling High Li-Ion Transference Number and Uniform Lithium Deposition for Lithium Metal Solid-State Batteries

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作者
Qionglin Luo,Zhen Xu,Sitian Zhang,Zhiling Li,Kaixiang Ren,Can Ding,Yongtao Li,Cong Peng,Shunqin Zeng
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:14 (29): 13031-13041
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c13381
摘要

Abstract PEO-derived polymer electrolytes hold promise for economical, deformable lithium metal batteries with elevated energy density. Nevertheless, their deployment is constrained by insufficient Li+ transport, restricted electrochemical stability, uncontrolled Li dendrite proliferation, and inferior anode cyclability. Herein, we introduce oxygen-deficient Nb2O5 (Ov-Nb2O5) into a polyethylene oxide host to fabricate an innovative solid-state electrolyte. The Ov-Nb2O5 particles anchor PEO chains via Lewis acid−base interaction, forming a robust oxide−polymer interface. This interaction effectively prevents filler aggregation and reduces PEO crystallinity, yielding a homogeneous electrolyte membrane with enhanced mechanical strength. The resulting architecture accelerates Li+ migration across the polymer, thereby elevating ionic transport and restraining dendrite advancement. The PEO/LiTFSI/10%Ov-Nb2O5 electrolyte demonstrates a conductivity of 2.5 × 10−4 S cm−1 alongside a Li+ transference number of 0.63 at 60 °C. Furthermore, Li-metal symmetric cells sustain steady deposition/dissolution exceeding 1500 h under 0.2 mA cm−2. When paired with a LiFePO4 cathode, the full cell achieves a reversible capacity of 121.4 mAh g−1 at 0.5 C and retains 91.7% of its capacity after 400 cycles. This investigation underscores an effective approach for engineering multifunctional fillers toward advanced solid electrolytes featuring rapid ion conduction and exceptional interfacial durability.
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