Abstract Single lithium ion conducting polymer electrolytes (SIPEs) are an emerging class of alternative polymer electrolytes for protecting lithium metal anode. This work explores a fully aromatic sp3 boron based SIPE, lithium poly (4,4′-dihydroxydiphenyl sulfone borate), Li-PSB, via a one-step synthetic procedure. A series of highly porous SIPE membranes, defined as po-PBSBs, comprising of Li-PSB and a fully aromatic polybenzimidazole (PBI) binder are firstly prepared. As a polymer electrolyte, po-PBSB exhibits high lithium ion transference number of close to unity, high ionic conductivity, excellent thermal dimensional stability and promising flame-retardant. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Density Functional Theory (DFT) calculations depict multi-coordinated lithium ion transport channels in the po-PBSB membranes. By serving as polymer electrolyte in lithium metal batteries (LMBs), Li/LiFePO4 (LFP) cell, the po-PBSB shows an effective suppression of lithium dendrite growth. As a consequence, po-PBSB based Li/LFP cell demonstrates superior cycling performance remaining 76.1% of its initial capacity with nearly 100% coulombic efficiency at 1.0C after 200 cycles. The excellent performance may be ascribed to the remarkable lithium ion transference number, high organic solvent absorption in pores and thermal and electrochemical stabilities of the po-PBSB. We believe that the novel SIPE materials have great potential for application in high-safety LMBs.

中文翻译：

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用于安全、高效和无枝晶锂金属电池的阻燃 sp 硼基单离子导电聚合物电解质

摘要 单锂离子导电聚合物电解质 (SIPE) 是一类新兴的替代聚合物电解质，用于保护锂金属负极。这项工作通过一步合成程序探索了一种全芳族 sp3 硼基 SIPE、锂聚（4,4'-二羟基二苯基砜硼酸盐）Li-PSB。首先制备了一系列高度多孔的 SIPE 膜，定义为 po-PBSBs，由 Li-PSB 和全芳族聚苯并咪唑 (PBI) 粘合剂组成。作为一种聚合物电解质，po-PBSB 具有接近于 1 的高锂离子转移数、高离子电导率、优异的热尺寸稳定性和有前途的阻燃性。X 射线光电子能谱 (XPS) 和密度泛函理论 (DFT) 计算描绘了 po-PBSB 膜中的多配位锂离子传输通道。通过用作锂金属电池 (LMB)、Li/LiFePO4 (LFP) 电池中的聚合物电解质，po-PBSB 显示出对锂枝晶生长的有效抑制。因此，基于 po-PBSB 的 Li/LFP 电池表现出优异的循环性能，在 1.0C 下 200 次循环后仍保持其初始容量的 76.1%，库仑效率接近 100%。优异的性能可能归因于 po-PBSB 显着的锂离子迁移数、高有机溶剂吸收率以及热和电化学稳定性。我们相信新型 SIPE 材料在高安全性 LMB 中具有巨大的应用潜力。基于 po-PBSB 的 Li/LFP 电池表现出优异的循环性能，在 200 次循环后，在 1.0C 下仍保持其初始容量的 76.1%，库仑效率接近 100%。优异的性能可能归因于 po-PBSB 显着的锂离子转移数、高有机溶剂吸收率以及热和电化学稳定性。我们相信新型 SIPE 材料在高安全性 LMB 中具有巨大的应用潜力。基于 po-PBSB 的 Li/LFP 电池表现出优异的循环性能，在 200 次循环后，在 1.0C 下仍保持其初始容量的 76.1%，库仑效率接近 100%。优异的性能可能归因于 po-PBSB 显着的锂离子迁移数、高有机溶剂吸收率以及热和电化学稳定性。我们相信新型 SIPE 材料在高安全性 LMB 中具有巨大的应用潜力。