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Molecular Ionic Composite Polymer Electrolytes for High-Voltage Batteries

材料科学 复合数 离子键合 聚合物电解质 聚合物 电解质 离子电导率 电压 化学工程 纳米技术 离子 复合材料 电极 有机化学 电气工程 物理化学 化学 工程类
作者
Jungki Min,Zhaohui Liang,Nicholas F. Pietra,Callum Connor,Louis A. Madsen,Feng Lin
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (25): 36639-36649 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.5c04566
摘要

Polymer electrolytes are promising candidates for enabling safe, high-energy lithium batteries, particularly when paired with high-voltage layered oxide cathodes and lithium metal anodes. However, challenges at electrode|electrolyte interfaces, such as parasitic side reactions and electrolyte decomposition, have hindered the widespread adoption of polymer electrolyte-based high-voltage lithium batteries. To address these issues, this study introduces molecular ionic composites (MICs) as free-standing polymer electrolyte membranes, eliminating the need for any additional liquid electrolytes during cell assembly. MICs consist of a charged rigid-rod ionic polymer, poly-2,2″-disulfonyl-4,4'-benzidine terephthalamide (PBDT), combined with mobile ions from ionic liquids, lithium salts, and functional additives. The associative interactions between PBDT and these ions create a tunable platform with exceptional mechanical strength, moderate ionic conductivity, and enhanced electrochemical stability of polymer electrolyte over a wide temperature range. The optimized MIC electrolytes exhibit high ionic conductivity (3.21 mS cm-1 at 60 °C), a wide electrochemical stability window (5 V vs Li|Li+ based on linear sweep voltammetry), and excellent mechanical properties (tensile strength of 6.3 MPa, elastic modulus of 450 MPa). Furthermore, MICs enable good cycling stability in NMC811||Li metal cells, delivering an initial specific discharge capacity of 212 mAh g-1 and 93% capacity retention after 100 cycles at 2.8-4.4 V, C/3, and 60 °C. These results underscore the potential of MICs as a promising electrolyte platform for next-generation high-voltage lithium batteries and broader electrochemical energy storage applications.
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