Self-assembled hydrated copper coordination compounds as ionic conductors for room temperature solid-state batteries

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作者
Xiao Zhan,Miao Li,Xiaolin Zhao,Yaning Wang,Sha Li,Weiwei Wang,Jiande Lin,Zi‐Ang Nan,Jiawei Yan,Zhefei Sun,Haodong Liu,Fei Wang,Jiayu Wan,Jianjun Liu,Qiaobao Zhang,Li Zhang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:23
标识
DOI:10.1038/s41467-024-45372-2
摘要

Abstract As the core component of solid-state batteries, neither current inorganic solid-state electrolytes nor solid polymer electrolytes can simultaneously possess satisfactory ionic conductivity, electrode compatibility and processability. By incorporating efficient Li + diffusion channels found in inorganic solid-state electrolytes and polar functional groups present in solid polymer electrolytes, it is conceivable to design inorganic-organic hybrid solid-state electrolytes to achieve true fusion and synergy in performance. Herein, we demonstrate that traditional metal coordination compounds can serve as exceptional Li + ion conductors at room temperature through rational structural design. Specifically, we synthesize copper maleate hydrate nanoflakes via bottom-up self-assembly featuring highly-ordered 1D channels that are interconnected by Cu 2+ /Cu + nodes and maleic acid ligands, alongside rich COO − groups and structural water within the channels. Benefiting from the combination of ion-hopping and coupling-dissociation mechanisms, Li + ions can preferably transport through these channels rapidly. Thus, the Li + -implanted copper maleate hydrate solid-state electrolytes shows remarkable ionic conductivity (1.17 × 10 −4 S cm −1 at room temperature), high Li + transference number (0.77), and a 4.7 V-wide operating window. More impressively, Li + -implanted copper maleate hydrate solid-state electrolytes are demonstrated to have exceptional compatibility with both cathode and Li anode, enabling long-term stability of more than 800 cycles. This work brings new insight on exploring superior room-temperature ionic conductors based on metal coordination compounds.
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