Anion-immobilized solid composite electrolytes based on metal-organic frameworks and superacid ZrO2 fillers for high-performance all solid-state lithium metal batteries

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作者
Tao Wei,Zao-hong Zhang,Qi Zhang,Jiahao Liu,Qi-ming Xiong,Fengyue Wang,Xinping Zhou,Wenjia Zhao,Xiangyun Qiu
出处
期刊:International Journal of Minerals Metallurgy and Materials [Springer Nature]
卷期号:28 (10): 1636-1646 被引量:30
标识
DOI:10.1007/s12613-021-2289-z
摘要

Anion-immobilized solid composite electrolytes (SCEs) are important to restrain the propagation of lithium dendrites for all solid-state lithium metal batteries (ASSLMBs). Herein, a novel SCEs based on metal-organic frameworks (MOFs, UiO-66-NH2) and superacid ZrO2 (S-ZrO2) fillers are proposed, and the samples were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), thermo-gravimetric analyzer (TGA) and some other electrochemical measurements. The -NH2 groups of UiO-66-NH2 combines with F atoms of poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) chains by hydrogen bonds, leading to a high electrochemical stability window of 5 V. Owing to the incorporation of UiO-66-NH2 and S-ZrO2 in PVDF-HFP polymer, the open metal sites of MOFs and acid surfaces of S-ZrO2 can immobilize anions by strong Lewis acid-base interaction, which enhances the effect of immobilization anions, achieving a high Li-ion transference number (t+) of 0.72, and acquiring a high ionic conductivity of 1.05×10−4 S·cm−1 at 60°C. The symmetrical Li/Li cells with the anion-immobilized SCEs may steadily operate for over 600 h at 0.05 mA·cm−2 without the short-circuit occurring. Besides, the solid composite Li/LiFePO4 (LFP) cell with the anion-immobilized SCEs shows a superior discharge specific capacity of 158 mAh·g−1 at 0.2 C. The results illustrate that the anion-immobilized SCEs are one of the most promising choices to optimize the performances of ASSLMBs.
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