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同濟大學王啟剛教授課題組《Adv. Mater. 》:聚合物凝膠中過飽和析晶造就的新型固態電解質
2019-06-17  來源:中國聚合物網

  隨著電化學儲能技術的快速發展,越來越多的研究者開始關注如何提高器件的安全性。發展非液態電解質能有效的解決傳統液態電解質容易泄露,封裝困難等問題,是目前提高電化學儲能器件安全性的重要研究方向。目前已開發的常見非液態電解質主要有陶瓷電解質,聚合物電解質,水凝膠電解質等。這些電解質雖然都能在一定程度上提高器件安全性,但依然存在著各種各樣的問題和挑戰,比如水凝膠電解質就面臨著電壓窗口低,工作溫度范圍窄,機械強度低等問題。同樣的,陶瓷電解質的界面相容性差,聚合物電解質的離子電導率低也都是亟待解決的挑戰。如何制備一種具有優異綜合性能的電解質,已經成為電化學儲能研究者需要面對的共同課題。

  近日,同濟大學化學科學與工程學院王啟剛教授課題組利用可溶鹽(如醋酸鈉等)過飽和析晶的原理在普通的水凝膠基礎上開發了一種全新的“結晶型聚合物凝膠電解質”(crystal-type polymer gel electrolyte),并研究了其在超級電容器中的性能。這種結晶型凝膠電解質的制備主要分為兩步,首先是通過加熱在前驅液中溶解過量的鹽,并形成含有過飽和鹽的水凝膠電解質;之后通過加晶種引發水凝膠內部的過飽和鹽定向結晶,得到結晶型凝膠電解質。與其它非液態電解質相比,結晶型凝膠電解質具有諸多優勢,展現了優異的綜合性能。

  • 1)引入具有規整結構的結晶鹽極大地增強了凝膠的機械強度,使結晶型凝膠電解質的最大壓縮模量可以達到474.24 MPa,是水凝膠電解質的近26000倍,確保了儲能器件的機械安全性。

  • 2)凝膠內部依然存在的飽和鹽溶液使結晶型凝膠電解質不需要添加另外的電解質鹽就具有較好的導電性,而導向的晶柱結構又為離子遷移提供了快速遷移通道,使其離子電導率(>10-3 S/cm)遠高于常規的陶瓷電解質和聚合物電解質。

  • 3)結晶鹽對結晶水的束縛作用,有效抑制了水的電化學活性,使結晶型凝膠電解質的電壓窗口可以達到2 V,遠高于普通的水系電解質,提高了能量密度。

  • 4)高濃度的鹽含量能降低電解質冰點,并提高其沸點,使結晶型電解質在?40 ~ 80 °C都能正常工作,拓寬了工作溫度范圍。

  • 5)利用結晶鹽溶解-重結晶的特點,通過簡單的表面潤濕處理,就可實現結晶鹽電解質表面的強度轉換,使其與電極材料有良好的界面接觸,改善界面性能。

  • 6)醋酸鈉是常見的相變材料,在溶解和結晶過程中伴隨著相應的吸熱和放熱現象,這種相變性質賦予了結晶型凝膠電解質獨特的熱緩沖性能,使其即使在極端溫度環境中(火焰,液氮)也可以有效減緩電解質和器件的溫度變化,確保在短時間內正常工作。這一特性在實際應用中將展現重大安全價值,尤其是在面臨火災等突發災難時將具有防災的現實意義。

  相關研究工作近期在Advanced Materials上發表,同濟大學化學科學與工程學院直博生魏俊杰為第一作者,王啟剛教授為通訊作者。該研究成果得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃等項目的支持。

  論文鏈接:

  Dissolution–Crystallization Transition within a Polymer Hydrogel for a Processable Ultratough Electrolyte

  Junjie Wei, Gumi Wei, Yinghui Shang, Jie Zhou, Chu Wu, and Qigang Wang Adv. Mater. 2019, 1900248.  DOI: 10.1002/adma.201900248

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201900248

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