Dynamically reversible cross-linked polymer electrolytes with highly ionic conductivity for dendrite-free lithium metal batteries

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作者
Xiaowei Wang,Meihuang Wang,Hongli Chen,Yayun Zhang,Bo Niu,Liying Tian,Donghui Long
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:496: 153830-153830 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.153830
摘要

• Electrolytes contain abundant dynamic imine bonds. • Reversible imine bonding reactions give electrolytes unique solid-state plasticity. • Reversible bonds make electrolytes achieve high ionic conductivity and good interfacial compatibility with lithium anode. • Full LiFePO 4 |V-SPE-PEG|Li cell exhibits stable cycling. High-safety PEO-based electrolytes have attracted widespread attention, but their inefficient conduction of Li ions and poor contact with electrode interfaces deteriorate the performances of rechargeable lithium metal batteries. Herein, we design a vitrimer polymer electrolyte (V-SPE-PEG) with abundant dynamic imine bonds via Schiff base reaction between aldehyde and ammonia, which achieves high ionic conductivity and good interfacial compatibility with lithium anode. The dynamic polymer network in V-SPE-PEG exhibits solid-state plasticity because reversible imine bonding reactions enable the integrity of the polymer network to be maintained while altering the cross-linked points under external stimuli. Therefore, this 3D dynamic cross-linked network effectively facilitates the polymer chain dynamics and meanwhile enhances ionic conductivity. Additionally, dynamic bond exchange fosters electrolyte flowability and self-healing during lithium deposition, promoting a tightly integrated electrode/electrolyte interface while inhibiting lithium dendrites growth. Consequently, lithium symmetric cells utilizing the V-SPE-PEG electrolyte demonstrate exceptional long-term cycling stability, surpassing 1100 h and exhibit outstanding ionic conductivity of 2.7 × 10 −4 S cm −1 at 30 °C. The LiFePO 4 ||Li battery maintains stable cycling performance at both 40 °C and 60 °C. This study introduces an innovative approach to designing solid-state electrolytes for lithium-metal batteries.
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