Regulating Lithium-Ion Transport in PEO-Based Solid-State Electrolytes through Microstructures of Clay Minerals

材料科学 锂(药物) 粘土矿物 电解质 离子 微观结构 化学工程 固态 无机化学 离子运输机 矿物学 冶金 电极 物理化学 有机化学 化学 医学 工程类 内分泌学
作者
Wankai Wang,Yanfei Yang,Junping Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (3): 5307-5315 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acsami.4c16874
摘要

Clay minerals show significant potential as fillers in polymer composite solid electrolytes (CSEs), whereas the influence of their microstructures on lithium-ion (Li+) transport properties remains insufficiently understood. Herein, we design advanced poly(ethylene oxide) (PEO)-based CSEs incorporating clay minerals with diverse microstructures including 1D halloysite nanotubes, 2D Laponite (Lap) nanosheets, and 3D porous diatomite. These minerals form distinct Li+ transport pathways at the clay-PEO interfaces due to their varied structural configurations. Among them, 2D Lap nanosheets exhibit the most significant improvements in Li+ conductivity (1.67 × 10-4 ± 0.02 × 10-4 S cm-1 at 30 °C), Li+ transference number (0.72), and oxidative stability (4.7 V). Consequently, a solid-state Li|LiFePO4 battery with the PEO/Lap CSE exhibits high reversible capacity and superior cycling stability (with 90.2% capacity retention after 250 cycles at 1.0 and 30 °C). Furthermore, pouch batteries with an integrated LiFePO4 cathode and PEO/Lap CSE show superior safety performance, even under extreme damage. This work provides valuable theoretical insights for the design and application of clay mineral fillers in CSEs.
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