Enhancing ionic conductivity and controlling lithium dendrite growth via ferroelectric ceramic Bi4Ti3O12

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作者
Xueyi Guo,Jiayao Shan,Shuaiqi Gong,Jiarui Xu,Qing Xu,Penghui Shi,Yulin Min
出处
期刊:Journal of The Taiwan Institute of Chemical Engineers [Elsevier BV]
卷期号:161: 105513-105513
标识
DOI:10.1016/j.jtice.2024.105513
摘要

Solid polymer electrolytes (SPEs) have gained numerous research interest in the field of lithium metal batteries. Solid polymer electrolytes have improved safety compared to liquid electrolytes. Despite this, their low ionic conductivity remains a major barrier to practical applications. To overcome the challenge of low ionic conductivity in SPEs, our study introduces a novel approach that integrates ferroelectric ceramics with polymer solid electrolytes. We used a one-step molten salt method to synthesize Bi4Ti3O12 (BIT), combined with a poly (vinylidene difluoride) matrix to form the composite solid-state electrolyte. Through various electrochemical characterizations and COMSOL Multiphysics simulations, we discovered that the ferroelectric properties of BIT significantly increase the dissociation of lithium salts, leading to a greater concentration of mobile lithium ions and more efficient ion transport. This electrolyte showed a remarkable improvement in lithium-ion conductivity, reaching a value of 8.5 × 10−4 S cm−1 at room temperature. Batteries made with these composite electrolytes demonstrate superior cycling stability, the capacity retention rates for LFP/SPEs/Li cells remain high, reaching 95 % even after 1,000 cycles at room temperature (25 °C). These findings highlight the promising applications of ferroelectric ceramics in solid-state batteries.
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