A review of Functional Separators for Lithium Metal Battery Applications

Figure 15.
Electrolyte interphase layers between electrolytes and electrodes.
(
a
) Scheme of
Li
|
LiFSI@LPS
|
LCO cell. (
b
) Scheme of 3D Li
|
SPE-LLZTO-SPE
|
LFP cell.
As another example, Fan and co-workers deposited a soft polymer electrolyte (SPE) layer on the
surface of a garnet electrolyte (Ta-doped LLZO (LLZTO)) to increase interfacial conductivity, decrease
polarization, and increase CE [
152
]. Furthermore, they fabricated a 3D Li-metal anode using a melt
infusion strategy to improve the interfacial interactions. This strategy was demonstrated in their
previous study [
158
]. An artificial SPE layer supports the mechanical role of separators by inducing
the better contact between the electrode and electrolyte, suppressing dendritic growth. With the e
ff
ect
of increased wettability from the SPE-coating layer, an LFP
|
SPE-LLZTO-SPE
|
3D Li full cell (Figure
15
b)
at 90
◦
C exhibited a CE of 99.6% and a stable cyclic life of 135 mAh g
−
1
after 200 cycles.
6.3. Modified GPEs: Strategies to Enhance the Function of Separators
Although several studies on PEO, PAN, and PMMA have been conducted, applying them is
di
ffi
cult since their ionic conductivities at low temperatures are too low [
159
,
160
]. As a result, GPEs
have attracted much interest. When GPEs are cross-linked, liquid components are incorporated into a
polymer matrix; thus, they block the leakage of liquid electrolytes and induce high ionic conductivity.
However, GPEs can be easily penetrated by Li-dendrites because of their low mechanical strength.
To overcome this, several approaches have been applied to ensure stability against dendrite growth by
increasing the mechanical strength using additive materials. In addition, strategies to increase ionic
conduction have been introduced.
Various strategies for designing separators with the use of GPEs exist: (1) introducing inorganic
materials that have strong mechanical properties to e
ff
ectively suppress dendritic growth, (2) designing
specialized structures to enhance ionic conductivity and mechanical properties, and (3) forming an
electrolyte interphase layer between Li-metal anodes and electrolytes.
To suppress dendritic growth by using inorganic materials to increase the mechanical properties,
Zhou et al. designed a hollow SiO
2
nanosphere-based composite SE (SiSE) [
161
]. This hierarchical
SiO
2
/
polymer composite electrolyte was fabricated using the in situ polymerization of tripropylene
glycol diacrylate (TPGDA) (Figure
16
). To overcome the poor contact resistance between the electrodes
and SE, they integrated SiSE and a TPGDA-based GPE. The cross-linked TPGDA polymer framework
protected the SiSE to maintain a safe quasi-solid-state, decreasing the risks of electrolyte leakage.
This electrolyte was liquid, absorbed in a hollow SiO
2
nanosphere layer, providing both high ionic
conductivity and low interfacial resistance. Several electrochemical tests depicted the performance of
an LFP
|
SiSE
|
Li cell. This cell exhibited an ionic conductivity of 1.74
×
10
−
3
S cm
−
1
and low interfacial
resistance. Moreover, it had an ion transference number of 0.44 and stable voltage window up to 4.91 V.
The discharge capacity and CE were 158 mAh g
−
1
and 98.6%, respectively. After 200 cycles at 0.2 C, it

---

Materials
2020
,
13
, 4625
25 of 37
had a discharge capacity of 159 mAh g
−
1
and exhibited a capacity retention ratio of 100.2%. This result
implied that the quasi-solid-state strategy of combining GPE and SE can provide a synergetic e
ff
ect
that eliminates the drawbacks of each.
Materials 
2020
, 
13
, x 
26 of 38 
stable voltage window up to 4.91 V. The discharge capacity and CE were 158 mAh g
−
1
and 98.6%, 
respectively. After 200 cycles at 0.2 C, it had a discharge capacity of 159 mAh g
−
1
and exhibited a 
capacity retention ratio of 100.2%. This result implied that the quasi-solid-state strategy of combining 
GPE and SE can provide a synergetic effect that eliminates the drawbacks of each.