Multiscale Engineered Bionic Solid‐State Electrolytes Breaking the Stiffness‐Damping Trade‐Off

材料科学 电解质 准固态 快离子导体 无定形固体 陶瓷 复合数 复合材料 离子电导率 电极 化学工程 纳米技术 结晶学 物理化学 化学 工程类 色素敏化染料
作者
Junyu Hou,Wu Sun,Qunyao Yuan,Longjiang Ding,Yanhua Wan,Zuohui Xiao,Tianke Zhu,Xingyu Lei,Jingsen Lin,Rongrong Cheacharoen,Yunlei Zhou,Shaolei Wang,Farid Manshaii,Jin Xie,Wei Li,Wei Li,Jie Zhao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (11): e202421427-e202421427 被引量:17
标识
DOI:10.1002/anie.202421427
摘要

All-solid-state lithium metal batteries (LMBs) are regarded as next-generation devices for energy storage due to their safety and high energy density. The issues of Li dendrites and poor mechanical compatibility with electrodes present the need for developing solid-state electrolytes with high stiffness and damping, but it is a contradictory relationship. Here, inspired by the superstructure of tooth enamel, we develop a composite solid-state electrolyte composed of amorphous ceramic nanotube arrays intertwined with solid polymer electrolytes. This bionic electrolyte exhibits both high stiffness (Young's modulus=15 GPa, hardness=0.13 GPa) and damping (tanδ=0.08), breaking the trade-off. Thus, this composite electrolyte can not only inhibit Li dendrites growth but also ensure intimate contact with electrodes. Meanwhile, it also exhibits considerable Li+ transference number (0.62) and room temperature ionic conductivity (1.34×10-4 S cm-1), which is attributed to oxygen vacancies of the amorphous ceramic effectively decoupling the Li-TFSI ion pair. Consequently, the assembled Li symmetric battery shows an ultra-stable cycling (>2000 hours at 0.1 mA cm-2 at 60 °C, >500 hours at 0.1 mA cm-2 at 30 °C). Moreover, the LiFePO4/Li and LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/Li all-solid-state full cells both show excellent cycling performance. We demonstrate that this bionic strategy is a promising approach for the development of high-performance solid-state electrolytes.
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