Electrolyte Anion-Initiated In Situ Polymerization of Dioxolane-Derived Gel Electrolytes for Dendrite-Resistant and Separator-Free Lithium Metal Batteries

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作者
Tianyu Shen,Qianchuan Yu,Jie Wei,Yaoda Wang,Huaizhu Wang,Zhenchao Li,Xingkai Ma,Jingjie Sun,Jing Ma,Zuoxiu Tie,Zhong Jin
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (25): 10102-10113 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c01953
摘要

The practicality of solid-state lithium metal batteries is limited by poor interfacial contact and low ion conductivity of solid-state electrolytes. Herein, we report a gel polymer electrolyte composed of LiN(SO 2 F) 2 and polymerized dioxolane prepared via in situ ring-opening polymerization triggered by radicals without the need for additional initiators and separators. Theoretical and experimental studies revealed a polymerization mechanism involving S–F bond rupture in LiN(SO 2 F) 2, followed by attack of a Lewis-acidic S atom in the •(SO 2 )(FSO 2 )N – radical on a Lewis-basic O atom in dioxolane. The electrolyte demonstrated high ion conductivity (1.836 mS cm –1 ) and Li-ion transference number (0.705), significantly improving the Li plating/stripping uniformity and long-term stability. Batteries with such electrolytes exhibited high-rate capability, high Coulombic efficiency, high capacity retention (75.1% after 3000 cycles), and broad temperature tolerance (−15 to 70 °C). Our research underscores the potential of in situ polymerization in fabricating gel polymer electrolytes to promote the development of secondary alkali metal batteries with exceptional energy density and stability.
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