Developing Dynamic Ion Transport Channels in Polymer Solid Electrolytes for High-Performance Lithium Metal Batteries

化学 电解质 锂(药物) 离子 快离子导体 溶剂化 离子键合 电导率 纳米技术 化学物理 化学工程 电化学 电极 材料科学 离子电导率 有机化学 物理化学 内分泌学 工程类 医学
作者
Qiang Lv,Lian Li,Xi Zhang,Runqi Wang,Ning Wen,Lijuan Xue,Haimei Wang,Lei Shen,Dairong Chen,Francesco Ciucci,John Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (31): 27611-27623 被引量:6
标识
DOI:10.1021/jacs.5c05911
摘要

Solid polymer electrolytes (SPEs) are promising for next-generation solid-state lithium metal batteries owing to their electrochemical stability and high safety. However, limited ionic conductivity and poor interfacial stability have hindered their practical applications. To address these challenges, we propose a novel approach by incorporating trace amounts of sulfone (SL) into polyacrylic-based SPEs, purposely creating "dynamic ion transport channels." Molecular dynamics simulations and experimental validation demonstrate that the optimal incorporation of SL (in situ-SL2) precisely tunes the solvation structure, establishing dense, multipoint coordination networks via gradient ion-dipole interactions. The inherent flexibility of SL facilitates rapid conformational changes and dynamic bridging with Li+ ions, reducing energy barriers for Li+ elastic hopping and thus enhancing ionic conductivity and lithium-ion transference numbers. Detailed interfacial analysis reveals that in situ SL2 SPE promotes the formation of a stable, inorganic-rich solid electrolyte interphase (SEI), effectively suppressing the metal dendrite growth. The LFP|In situ-SL2|Li cell exhibits over 91.7% capacity retention after 2000 cycles at 3 C, highlighting a superior performance and long-term stability. This work provides valuable insights into designing high-performance SPEs for long-lifetime and safe lithium metal batteries.
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