Quantification and Optimization of Interfacial Ion Transport in Polymer/Ceramic Composite Electrolytes for Solid‐State Batteries

电解质 材料科学 离子电导率 相间 复合数 电导率 离子键合 快离子导体 化学工程 多孔性 阳极 锂(药物) 阴极 复合材料 涂层 纳米技术 导电体 表征(材料科学) 工作(物理) 金属锂 金属 电极
作者
Longfei Cui,Shu Zhang,Jiangwei Ju,Shuo Liu,Hao Wang,Jiahao Xu,Wenjun Zhang,Pengzhou Mu,Yi Zhang,Lihao Liu,Peiwen Xu,Pengxian Han,Zhaolin Lv,Guanglei Cui
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (48): e202517153-e202517153 被引量:7
标识
DOI:10.1002/anie.202517153
摘要

Abstract Solid polymer/ceramic composite electrolytes have emerged as promising candidates for solid‐state batteries owing to their superior mechano‐chemical compatibility, oxidation stability, and high ionic conductivity. While extensive studies confirm that the newly formed interphase critically enhances ionic conductivity, its quantitative contribution remains experimentally unverified for any composite electrolyte. This knowledge gap lacks a key guideline for designing commercially viable solid electrolytes thereby hinders the development of solid‐state batteries. A key challenge arises from the conventional low‐dimensional fillers used in the composite electrolytes that tend to aggregate to create non‐uniform interphase distribution thus complicating the determination of critical carrier transport parameters. To address this, we fabricate three‐dimensional Li 6.4 Al 0.1 La 3 Zr 1.7 Ta 0.3 O 12 self‐supported porous skeletons as fillers, in which 1,3‐dioxolane is in situ polymerized to establish a composite model system. Using advanced characterization techniques, we determine the geometric parameters governing carrier transport and develop a corresponding model to estimate interphase conductivity. Remarkably, the interphase exhibits a room‐temperature conductivity of 2.5 mS cm −1 , 33‐fold higher than that of the bulk composite electrolyte. We attribute this enhancement to Lewis acid–base interactions that increase initiator concentration at the interphase, producing short‐chain interfacial poly(1,3‐dioxolane) with enlarged free volume for rapid Li‐ion conduction. By applying this mechanistic understanding and coating the Li 6.4 Al 0.1 La 3 Zr 1.7 Ta 0.3 O 12 skeleton with a stronger Lewis base (Li 6 PS 5 Cl), we further optimize interphase conductivity to 12 mS cm −1 . The applicability of the composite electrolytes is demonstrated in high‐energy solid‐state batteries with both sulfur and LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 cathodes paired with lithium metal anodes. This work establishes fundamental design principles for engineering high‐conductivity interphases in polymer/ceramic composite electrolytes.
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