Halogen-Bonding Nanoarchitectonics in Supramolecular Plasticizers for Breaking the Trade-Off between Ion Transport and Mechanical Strength of Polymer Electrolytes for High-Voltage Li-Metal Batteries

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作者
Jieqing Shen,Wensheng Tian,Shuohan Liu,Pan Hui,Cheng Yang,Hengdao Quan,Shenmin Zhu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (44): 30716-30727 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c09878
摘要

The low ionic conductivity of poly(ethylene oxide) (PEO)-based polymer electrolytes at room temperature impedes their practical applications. The addition of a plasticizer into polymer electrolytes could significantly promote ion transport while inevitably decreasing their mechanical strength. Herein, we report a supramolecular plasticizer (SMP) to break the trade-off effect between ionic conductivity and mechanical properties in PEO-based polymer electrolytes. Accordingly, the SMP is constructed by tetraethylene glycol dimethyl ether (G4) and SbF 3 through halogen bonds. The SMP-plasticized PEO electrolyte (PEO/SMP) presents a simultaneously enhanced ionic conductivity of 2.4 × 10 –4 S cm –1 (25 °C) and a high mechanical strength of 8.1 MPa, compared to those of pristine PEO-based electrolytes. Benefiting from the halogen bonds between G4 and SbF 3, the Li–O coordination in PEO/SMP is evidently weakened, and thus rapid Li + transport is achieved. Furthermore, the PEO/SMP electrolyte possesses a wide electrochemical stability window of 4.5 V and, importantly, derives an inorganic-rich SEI with a low interfacial resistance on a lithium metal surface. By using PEO/SMP, the lithium-metal battery with the LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 cathode exhibits a good rate and long-term cycling performance with a capacity retention of 75.3% (500 cycles). This work offers a rational guideline for the design of polymer electrolytes suitable for high-performance lithium-metal batteries.
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