Decoupling the Ionic Conductivity and Elastic Modulus of Gel Electrolytes: Fully Zwitterionic Copolymer Scaffolds in Lithium Salt/Ionic Liquid Solutions

材料科学 离子电导率 电解质 化学工程 离子液体 共聚物 锂(药物) 电导率 弹性模量 聚合物 无机化学 高分子化学 复合材料 有机化学 物理化学 化学 电极 催化作用 内分泌学 工程类 医学
作者
Anthony J. D’Angelo,Matthew J. Panzer
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:8 (26) 被引量:90
标识
DOI:10.1002/aenm.201801646
摘要

Abstract A critical barrier to overcome in the development of solid‐state electrolytes for lithium batteries is the trade‐off between sacrificing ionic conductivity for enhancement of mechanical stiffness. Here, a physically cross‐linked, polymer‐supported gel electrolyte consisting of a lithium salt/ionic liquid solution featuring a fully zwitterionic (ZI) copolymer network is introduced for rechargeable lithium‐based batteries. The ZI scaffold is synthesized using a 3:1 molar ratio of 2‐methacryloyloxyethyl phosphorylcholine and sulfobetaine vinylimidazole, and the total polymer content is varied between 1.1 and 12.5 wt%. Room‐temperature ionic conductivity values comparable to the base liquid electrolyte (≈1 mS cm −1 ) are achieved in ZI copolymer‐supported gels that display compressive elastic moduli as large as 14.3 MPa due to ZI dipole–dipole cross‐links. Spectroscopic characterization suggests a change in the Li + coordination shell upon addition of the zwitterions, indicative of strong Li + ···ZI group interactions. Li + transference number measurements reveal an increase in Li + conductivity within a ZI gel electrolyte ( nearly doubles). ZI gels display enhanced stability against Li metal, dendrite suppression, and suitable charge–discharge performance in a graphite|lithium nickel cobalt manganese oxide cell. Fully ZI polymer networks in nonvolatile, ionic liquid‐based electrolytes represent a promising approach toward realizing highly conductive, mechanically rigid gels for lithium battery technologies.
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