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Zwitterion-Modulated Quasi-Solid-State Polymer Electrolyte with Janus Interface toward Low-Temperature Lithium Metal Batteries

化学 金属锂 电解质 杰纳斯 锂(药物) 化学工程 聚合物 接口(物质) 聚合物电解质 金属 无机化学 电池(电) 电极 过渡金属 高分子化学
作者
Yulong He,Menghong Li,Hongzhe Ma,Zi Wang,Qiguang He,Zi Wang,Bo Li,Shubin Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (21): 21599-21610 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.6c01248
摘要

Although polymer-based lithium batteries have high theoretical energy densities, they usually suffer from poor low-temperature performance, owing to interfacial instability and sluggish ion transport in solid-state electrolytes. Herein, a unique Janus interface is constructed between the lithium anode and PVDF-based polymer electrolyte via oriented assembly of a zwitterion under an electric field, in which the imidazolium cation is attracted to the anode and the sulfonate anions extend outward into the electrolyte. Such an asymmetric feature effectively lowers the Li + desolvation barrier and suppresses solvent-related side reactions on the anode. Moreover, in the bulk electrolyte, the sulfonate groups of the zwitterion provide additional Lewis basic sites for continuous ion hopping, which act as lithium-ion migration bridges, greatly enhancing ion transport along polymer chains. Thus, the quasi-solid-state polymer electrolyte with a Janus interface exhibits a high ionic conductivity of 0.66 mS cm –1 (at room temperature), an elevated Li + transference number (0.61), and strong mechanical strength (strength of 8.2 MPa, elongation of 520%). The full cells coupled LiFePO 4 cathode and lithium metal anode exhibit outstanding cycling stability, with 83.6% capacity retention over 1000 cycles at 5 C. Remarkably, even at −10 °C, the full cells exhibit high cycling stability of 86.3% over 700 cycles, superior to most reported polymer-based solid lithium batteries.
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