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Decoupling of Mechanical Strength and Ionic Conductivity in Zwitterionic Elastomer Gel Electrolyte toward Safe Batteries

材料科学 弹性体 电解质 离子电导率 准固态 电池(电) 复合材料 电化学 电导率 化学工程 电极 量子力学 物理 工程类 色素敏化染料 物理化学 功率(物理) 化学
作者
Yan Liu,Lei Hou,Yucong Jiao,Peiyi Wu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (11): 13319-13327 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acsami.1c01064
摘要

Quasi-solid state electrolyte is one of the promising options for next generation batteries due to its superiority on safety and electrochemistry performance. However, the trade-off between the electrolyte swelling ratio and mechanical property of the quasi-solid state electrolyte significantly influences the battery performance. Herein, we design a nonswelling, solvent-adaptive polymer gel composed of oleophobic zwitterion poly(3-(1-vinyl-3-imidazolio)-propanesulfonate) and oleophilic elastomer poly(2-methoxyethyl acrylate) segments to retain high battery performance without sacrificing the mechanical property in lithium batteries. The as-designed gel can not only uptake enough electrolyte for a high ionic conductivity of 1.78 mS cm–1 but also achieve excellent mechanical strength with compression stress at 90% strain (σ0.9) reaching 5.8 MPa after long time soaking for battery safety due to its nonswelling property in ester electrolyte. Moreover, the as-prepared zwitterionic gel is beneficial to electrolyte salt dissociation, which further enhances the ionic conductivity and transference number of batteries. Consequently, the gel electrolyte can cycle for more than 500 h under a high current density of 3 mA cm–2 on dendrite inhibition performance, and when assembled with LiFePO4 as a cathode, the battery demonstrates a reversible specific capacity as high as 70 mAh g–1 under a high current density of 5 C after 300 cycles. The rational designed solvophilic/solvophobic zwitterionic elastomers provide a guidance for engineering quasi-solid state electrolytes of different solvents with broad applications on flexible devices.
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