In-built intermolecular hydrogen bonds enabling stable interfacial chemistry for all-solid-state Li metal batteries

分子间力 氢键 金属 固态 化学物理 化学 氢气储存 纳米技术 材料科学 计算化学 物理化学 分子 有机化学
作者
Xu Teng,Mengyan Gu,Qin Sun,Zhiyuan Guo,Zijun Li,Mei Yang,Qiuying Xia,Yiren Zhong,Hui Xia
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:19 (1): 94907769-94907769 被引量:5
标识
DOI:10.26599/nr.2025.94907769
摘要

The guest-host chemistry in polymer electrolytes plays a crucial role for all-solid-state Li metal batteries, where the stable operation of such batteries heavily relies on high ion conductivity, strong mechanical properties and stable interfaces of the electrolyte. While traditional ceramic fillers can boost ion conductivity, they fail to improve interfacial stability. In this study, we introduce intermolecular hydrogen bonding into a polyethylene oxide (PEO)-based polymer electrolyte through the incorporation of metal organic framework (MOF) and lithium nitrate additives. The hydrogen on the PEO chain is found to be tightly interacted with the oxygen nodes of UiO-66 MOF and nitrate anions, creating a cross-linked framework that reduces the crystallinity of the PEO and enhances the integrity of composite. This interaction induces a beneficial Li3N and LiF-rich solid electrolyte interphase, ensuring 2000 hours of stable lithium metal operation without short-circuits. The strong polysulfide adsorption enables compatibility with high-capacity sulfur cathodes, resulting in solid-state Li-S batteries that can achieve a high capacity of 913.8 mAh g-1 and exhibit stable cycling performance. This work demonstrates the deep understanding of guest-host chemistry in polymer electrolytes and their potential in developing energy-dense solid-state Li metal batteries.
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