基于超分子晶体的快速单离子导体,用于长周期固体电池

科学领域:

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• 固态电池 固态电池是什么

背景情况:

• 离子电池 (ZIB) 中的固体聚合物电解质 (SPEs) 由于聚合物段动态,具有较低的离子导电性和有限的阴离子传输.
• 这限制了ZIB的效率和性能,需要替代电解质材料.
• 基于的超分子晶体 (ZMCs) 显示了改善离子导电的潜力,但它们在ZIB中的应用仍然未被探索.

研究的目的:

• 开发和研究一种基于Zn的新型超分子晶体 (ZMC),作为Zn离子电池 (ZIB) 的固态电解质.
• 评估ZIB中ZMC的离子导电性,Zn2+转移和电化学性能.
• 展示ZMC在提高ZIB的安全性,耐用性和可持续性方面的潜力.

主要方法:

• 合成一个由苏奇尼尼特 (SN) 和二三甲硫) 胺 (Zn(TFSI) ₂组成的ZMC,其配方为Zn(TFSI) ₂SN₃.
• 描述ZMC的晶体结构和离子导导通路径.
• 使用ZMC电解质制造和测试Zn‖Zn对称电池和固态ZIB.

主要成果:

• 合成的ZMC,Zn(TFSI) ₂SN₃,展示了有序的3D道,促进了高离子导电性 (6.02×10^-4 S cm^{-1在25°C) 和高的Zn2+转移数 (t_Zn2+ = 0.97).}
• 带有ZMC的Zn‖Zn对称电池在高面积密度 (3 mAh cm-2) 上表现出1200小时的循环稳定性和无树的Zn/脱落.
• 固态ZIB实现了高放电容量 (1.52 mAh cm-2),卓越的循环稳定性 (83.6%的保持率在7万个循环后),广泛的操作温度范围 (-35到50°C),以及快速充电能力.

结论:

• 开发的ZMC在固态ZIB中为Zn²⁺离子运输提供了与SPEs相比明显的结构优势.
• 采用ZMC可显著提高ZIB的安全性,耐用性和可持续性,通过实现有效的离子导电和抑制树突形成.
• 这项研究强调ZMCs作为一个有希望的下一代电解质材料,用于高性能和可靠的固态ZIB.