Solid polymer electrolytes in lithium ion batteries offer significant advantages compared to conventional liquid electrolytes including safety, stability, and thin film manufacturability. The major disadvantage of poor ion conductivity especially at room temperature still presents a challenge. Nanoscale fillers are shown to improve ion conductivity up to 3 orders of magnitude although the specific mechanisms for enhancement are still under debate. In this study, we investigate the mechanisms of lithium ion conductivity enhancement and degradation in polymer nanocomposite electrolytes. Agreement between our model predictions and experiments confirm that our postulated mechanisms can explain the dependence of ion conductivity on nanofillers.

1.
M. B.
Armand
,
Annu. Rev. Mater. Sci.
16
,
245
(
1986
).
2.
J.
Schoonman
and
E. M.
Kelder
,
J. Power Sources
68
,
65
(
1997
).
3.
S.
Skaarup
,
K.
West
,
B.
Zachau-Christiansen
,
M.
Popall
,
J.
Kappel
,
J.
Kron
,
G.
Eichinger
, and
G.
Semrau
,
Electrochim. Acta
43
,
1589
(
1998
).
4.
F. B.
Dias
,
L.
Plomp
, and
J. B. J.
Veldhuis
,
J. Power Sources
88
,
169
(
2000
).
5.
T.
Minami
,
A.
Hayashi
, and
M.
Tatsumisago
,
Solid State Ions
177
,
2715
(
2006
).
6.
J. W.
Fergus
,
J. Power Sources
195
,
4554
(
2010
).
7.
A.
Maitra
and
A.
Heuer
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
227802
(
2007
).
8.
N. A.
Stolwijk
and
Sh.
Obeidi
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
125901
(
2004
).
9.
Y.
Wang
,
A. L.
Agapov
,
F.
Fan
,
K.
Hong
, and
X.
Yu
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
088303
(
2012
).
10.
B. L.
Papke
,
M. A.
Ratner
, and
D. F.
Shrive
,
J. Electrochem. Soc.
129
,
1694
(
1982
).
11.
M. H.
Sheldon
,
M. D.
Glasse
,
R. J.
Latham
, and
R. G.
Linford
,
Solid State Ions
34
,
135
(
1989
).
12.
M. S.
Michael
,
M. M. E.
Jacob
,
S. R. S.
Prabaharan
, and
S.
Radhakrishna
,
Solid States Ions
98
,
167
(
1997
).
13.
X.
Qian
,
N.
Gu
,
Z.
Cheng
,
X.
Yang
,
E.
Wang
, and
S.
Dong
,
Mater. Chem. Phys
74
,
98
(
2002
).
14.
Y.
Kumar
,
S. A.
Hashmi
, and
G. P.
Pandey
,
Solid State Ions
201
,
73
(
2011
).
15.
C.-W.
Nan
,
L.
Fan
,
Y.
Lin
, and
Q.
Cai
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
266104
(
2003
).
16.
F.
Croce
,
G. B.
Appetecchi
,
L.
Persi
, and
B.
Scrosati
,
Nature (London)
394
,
456
(
1998
).
17.
P. G.
Bruce
,
B.
Scrosati
, and
J.-M.
Tarascon
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
2930
(
2008
).
18.
J. E.
Weston
and
B. C. H.
Steele
,
Solid State Ions
7
,
75
(
1982
).
19.
J.
Przyluski
and
W.
Wieczorek
,
Solid State Ions
36
,
165
(
1989
).
20.
F.
Capuano
,
F.
Croce
, and
B.
Scrosati
,
J. Electrochem. Soc
138
,
1918
(
1991
).
21.
F.
Croce
,
R.
Curini
,
A.
Martinelli
,
L.
Persi
,
F.
Ronci
, and
B.
Scrosati
,
J. Phys. Chem. B
103
,
10632
(
1999
).
22.
G. B.
Appetecchi
,
F.
Croce
,
L.
Persi
,
F.
Ronci
, and
B.
Scrosati
,
Electrochim. Acta
45
,
1481
(
2000
).
23.
C.
Wang
,
Y.
Xia
,
K.
Koumoto
, and
T.
Sakai
,
J. Electrochem. Soc.
149
,
A967
(
2002
).
24.
D.
Golodnitsky
,
G.
Ardel
, and
E.
Peled
,
Solid State Ions
147
,
141
(
2002
).
25.
J.
Adebahr
,
N.
Ciccosillo
,
Y.
Shekibi
,
D. R.
MacFarlane
,
A. J.
Hill
, and
M.
Forsyth
,
Solid State Ions
177
,
827
(
2006
).
26.
S. M.
Tan
and
M. R.
Johan
,
Ionics
17
,
485
(
2011
).
27.
F.
Croce
,
L.
Persi
,
B.
Scrosati
,
F.
Serraino-Fiory
,
E.
Plichta
, and
M. A.
Hendrickson
,
Electrochim. Acta
46
,
2457
(
2001
).
28.
S. H.
Chung
,
Y.
Wang
,
L.
Persi
,
F.
Croce
,
S. G.
Greenbaum
,
B.
Scrosati
, and
E.
Plichta
,
J. Power Sources
97–98
,
644
(
2001
).
29.
L.
Persi
,
F.
Croce
,
B.
Scrosati
,
E.
Plichta
, and
M. A.
Hendrickson
,
J. Electrochem. Soc.
149
,
A212
(
2002
).
30.
R. A.
Vaia
,
S.
Vasudevan
,
W.
Krawiec
,
L. G.
Scanlon
, and
E. P.
Giannelis
,
Adv. Mater.
7
,
154
(
1995
).
31.
S. K.
Fullerton-Shirey
and
J. K.
Maranas
,
J. Phys. Chem. C
114
,
9196
(
2010
).
32.
Z.
Gadjourova
,
Y. G.
Andreev
,
D. P.
Tunstall
, and
P. G.
Bruce
,
Nature (London)
412
,
520
(
2001
).
33.
J.
Przyluski
,
M.
Siekierski
, and
W.
Wieczorek
,
Electrochim. Acta
40
,
2101
(
1995
).
34.
W.
Wieczorek
,
A.
Zalewska
,
M.
Siekierski
, and
J.
Przyluski
,
Solid State Ionics
86–88
,
357
(
1996
).
35.
M. H.
Cohen
and
D.
Turnbull
,
J. Chem. Phys.
31
,
1164
(
1959
).
36.
F.
Croce
,
S.
Sacchetti
, and
B.
Scrosati
,
J. Power Sources
162
,
685
(
2006
).
37.
H. M.
Xiong
,
X.
Zhao
, and
J. S.
Chen
,
J. Phys. Chem. B
105
,
10169
(
2001
).
38.
N.
Shukla
and
A. K.
Thakur
,
J. Non-Cryst. Solids
357
,
3689
(
2011
).
39.
A. M.
Stephan
and
K. S.
Nahm
,
Polymer
47
,
5952
(
2006
).
40.
K.-S.
Ji
,
H.-S.
Moon
,
J.-W.
Kim
, and
J.-W.
Park
,
J. Power Sources
117
,
124
(
2003
).
41.
S. R.
Mohapatra
,
A. K.
Thakur
, and
R. N. P.
Choudhary
,
J. Polym. Sci. Polym. Phys.
47
,
60
(
2009
).
42.
M.
Forsyth
,
D. R.
MacFarlane
,
A.
Best
,
J.
Adebahr
,
P.
Jacobsson
, and
A. J.
Hill
,
Solid State Ions
147
,
203
(
2002
).
43.
J.
Swenson
and
L.
Börjesson
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3569
(
1996
).
44.
P. F. F.
Almeida
,
W. L. C.
Vaz
, and
T. E.
Thompson
,
Biochemistry
31
,
6739
(
1992
).
45.
Y.
Liu
,
J. Y.
Lee
, and
L.
Hong
,
J. Power Source
129
,
303
(
2004
).
46.
T. C.
Merkel
,
B. D.
Freeman
,
R. J.
Spontak
,
Z.
He
,
I.
Pinnau
,
P.
Meakin
, and
A. J.
Hill
,
Chem. Mater
15
,
109
(
2003
).
47.
S.
Ramesh
and
L. C.
Wen
,
Ionics
16
,
255
(
2010
).
48.
H.
Takeuchi
,
R.
Roe
, and
J. E.
Mark
,
J. Chem. Phys.
93
,
9042
(
1990
).
49.
D.
Racko
,
S.
Capponi
,
F.
Alvarez
,
J.
Colmenero
, and
J.
Bartos
,
J. Chem. Phys.
131
,
064903
(
2009
).
50.
K.-S.
Chang
,
Y.-C.
Chung
,
T.-H.
Yang
,
S. J.
Lue
,
K.-L.
Tung
, and
Y.-F.
Lin
,
J. Membr. Sci.
417–418
,
119
(
2012
).
51.
N. S. T.
Do
,
D. M.
Schaetzl
,
B.
Dey
,
A. C.
Seabaugh
, and
S. K.
Fullerton-Shirey
,
J. Phys. Chem. C
116
,
21216
(
2012
).
52.
L.
Shen
and
Zh.
Chen
,
Chem. Eng. Sci.
62
,
3748
(
2007
).
53.
J.
Oberdisse
,
Soft Matter
2
,
29
(
2006
).
54.
J.
Gao
,
R.
Qu
,
B.
Tang
,
B.
Tang
,
C.
Wang
,
Q.
Ma
, and
C.
Sun
,
J. Nanopart. Res.
13
,
5289
(
2011
).
55.
C.
Tang
,
K.
Hackenberg
,
Q.
Fu
,
P. M.
Ajayan
, and
H.
Ardebili
,
Nano Lett.
12
,
1152
(
2012
).
56.
H. M. J. C.
Pitawala
,
M. A. K. L.
Dissanayake
, and
V. A.
Seneviratne
,
Solid State Ionics
178
,
885
(
2007
).
57.
H. J.
Walls
,
J.
Zhou
,
J. A.
Yerian
,
P. S.
Fedkiw
,
S. A.
Khan
,
M. K.
Stowe
, and
G. L.
Baker
,
J. Power Sources
89
,
156
(
2000
).
You do not currently have access to this content.