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Lanthanum-Enriched PEO-Based Composite Electrolytes Inducing Interface Passivation and the Ion-Sieving Effect

电解质 材料科学 离子电导率 钝化 电化学 化学工程 离子键合 电导率 离解(化学) 电化学窗口 格式化 复合数 金属 无机化学 相间 锂(药物) 密度泛函理论 离子 电极 离子液体 聚合物 化学稳定性 极化(电化学) 半电池 快离子导体 金属锂 纳米技术 电化学电位 吸附 介电谱
作者
Yini Chen,Shuang Li,Baorui Zhang,Changping Li,Tae Jo Ko
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.6c00255
摘要

Poly(ethylene oxide) (PEO)-based solid electrolytes are key to developing safe and high-energy all-solid-state lithium metal batteries, but they suffer from low ionic conductivity, strong Li+-anion association, and insufficient oxidative stability at increased voltages. In this study, a lanthanum-enriched PEO composite electrolyte (LP) was designed by incorporating lanthanum formate molecular clusters (LaMe) as multifunctional Lewis acid sites to achieve simultaneous enhancement of ion transport and interfacial stability. The La-O coordination framework strongly anchors TFSI- anions while repelling Li+, effectively suppressing Li+-TFSI- association and facilitating Li+ dissociation and migration. Density functional theory (DFT) calculations confirm the reduced binding energy, redistributed electrostatic potential, and formation of low-barrier Li+ migration pathways. Consequently, the LP electrolyte exhibits a high ionic conductivity of 1.67 × 10-4 S cm-1 at 30 °C, a Li+ transference number of 0.57, and an extended electrochemical stability window of up to 4.5 V. Li||Li symmetric cells deliver stable plating/stripping behavior for more than 2000 h with low polarization, while Li||LFP full cells maintain 94.61% capacity retention after 300 cycles at 0.5 C and operate stably up to 1000 cycles at 4.2 V. The synergistic effects of anion anchoring, polymer activation, and stable LiF-rich interphase formation enable the LP electrolyte to achieve high-voltage tolerance, dendrite-free cycling, and excellent long-term durability, offering a promising strategy for next-generation solid-state lithium metal batteries.
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