重合PMMAベースのエラストマー電解質を用いたリチウム金属電池の進歩

Advancing lithium metal batteries with polymerized PMMA-based elastomericelectrolytes.

抄録

リチウム金属電池（LMB）用のポリメタクリル酸メチル（PMMA）ベースの固体エラストマー電解質を調製するための、義歯に着想を得た新しいプロトコルが本研究で報告された。深部共晶電解質（DEE）としてスクシノニトリルとリチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（LiTFSI）を組み合わせることで、TFSIからリチウムを効率的に解離させることができる。さらに、DEEとMMAのモル比を2.16:1に最適化することで、「ポリマーインソルト」構造を持つエラストマー電解質が開発され、Liの高速輸送と高いイオン伝導性（30℃で0.497mS cm）のための連続的な経路を特徴とした。イオン輸送経路のマルチレベル構造は、電子顕微鏡、X線小角散乱、ラマン分光のデータを組み合わせて解明した。さらに、重合を利用することで、電解質と固体電極間の強固な接着が達成され、効率的なLi移動と安定した固体-電解質界面層の形成が容易になった。これらの電解質は、高電圧カソードやLiアノードとの優れた相溶性と安定性を示し、LMBの優れたサイクル性能からも明らかである。これらの知見は、新しい固体高分子電解質の設計と開発に重要な示唆を与え、LMBの商業的応用を前進させるものである。

A novel denture-inspired protocol for the preparation of poly(methyl methacrylate) (PMMA)-based solid-state elastomer electrolytes for lithium metal batteries (LMBs) has been reported in this work. The combination of succinonitrile and lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) as a deep eutectic electrolyte (DEE) enables efficient dissociation of Li from TFSI. Additionally, by optimizing the molar ratios of DEE and MMA to 2.16 : 1, an elastomeric electrolyte with a "polymer-in-salt" structure was developed, featuring continuous pathways for fast Li transport and high ionic conductivity (, 0.497 mS cm at 30 °C). The multi-level structure of the ion transport pathways was elucidated through a combination of electron microscopy, small-angle X-ray scattering and Raman spectroscopy data. Moreover, utilizing polymerization, robust adhesion between the electrolyte and solid electrodes was achieved, facilitating efficient Li transfer and stable solid-electrolyte interface layer formation. These electrolytes demonstrate excellent compatibility and stability with high-voltage cathodes and Li anodes, as evidenced by the superior cycling performance of LMBs. These findings provide significant insights into the design and development of new solid-state polymer electrolytes, advancing the commercial application of LMBs.