Composite Polymer Electrolytes with Li7La3Zr2O12 Garnet-Type Nanowires as Ceramic Fillers: Mechanism of Conductivity Enhancement and Role of Doping and Morphology

材料科学 陶瓷 离子电导率 电导率 纳米线 复合数 化学工程 电解质 复合材料 聚合物 纳米颗粒 纳米技术 电极 工程类 物理化学 化学
作者
Ting Yang,Jin Zheng,Qian Cheng,Yan‐Yan Hu,Candace K. Chan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:9 (26): 21773-21780 被引量:412
标识
DOI:10.1021/acsami.7b03806
摘要

Composite polymer solid electrolytes (CPEs) containing ceramic fillers embedded inside a polymer-salt matrix show great improvements in Li+ ionic conductivity compared to the polymer electrolyte alone. Lithium lanthanum zirconate (Li7La3Zr2O12, LLZO) with a garnet-type crystal structure is a promising solid Li+ conductor. We show that by incorporating only 5 wt % of the ceramic filler comprising undoped, cubic-phase LLZO nanowires prepared by electrospinning, the room temperature ionic conductivity of a polyacrylonitrile-LiClO4-based composite is increased 3 orders of magnitude to 1.31 × 10–4 S/cm. Al-doped and Ta-doped LLZO nanowires are also synthesized and utilized as fillers, but the conductivity enhancement is similar as for the undoped LLZO nanowires. Solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) studies show that LLZO NWs partially modify the PAN polymer matrix and create preferential pathways for Li+ conduction through the modified polymer regions. CPEs with LLZO nanoparticles and Al2O3 nanowire fillers are also studied to elucidate the role of filler type (active vs passive), LLZO composition (undoped vs doped), and morphology (nanowire vs nanoparticle) on the CPE conductivity. It is demonstrated that both intrinsic Li+ conductivity and nanowire morphology are needed for optimal performance when using 5 wt % of the ceramic filler in the CPE.
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