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江西師大周炳華/王志朋、華科大薛志剛 Adv. Funct. Mater. : 穩(wěn)定鋰離子沉積的自愈合、可回收聚合物電解質(zhì)
2023-01-29  來源：高分子科技

  聚合物電解質(zhì)存在因韌性不足發(fā)生脆裂的問題，其在電池組裝和循環(huán)過程中發(fā)生破裂后將嚴(yán)重影響鋰電池的電化學(xué)性能和使用壽命，甚至引發(fā)安全問題。為此，設(shè)計具有良好電化學(xué)性能的自愈合、可回收聚合物電解質(zhì)對發(fā)展高性能鋰金屬電池技術(shù)具有重要意義。


  構(gòu)建四重氫鍵網(wǎng)絡(luò)是制備了自愈合聚合物電解質(zhì)材料的有效方法。然而，氫鍵是一類分子間作用力較弱的非共價鍵，其較低的鍵能導(dǎo)致自愈合聚合物電解質(zhì)的力學(xué)性能偏低，難以抑制鋰枝晶的形成，從而降低了聚合物電解質(zhì)的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，鋰沉積過程中鋰離子在自愈合聚合物電解質(zhì)內(nèi)部和鋰金屬表面分布不均導(dǎo)致電解質(zhì)與鋰金屬界面穩(wěn)定性下降仍然是一個富有挑戰(zhàn)性的問題。


  針對上述挑戰(zhàn)，江西師范大學(xué)周炳華博士、王志朋研究員聯(lián)合華中科技大學(xué)薛志剛教授利用硫醇和環(huán)氧基的熱引發(fā)開環(huán)反應(yīng)，成功制備了具有優(yōu)異力學(xué)性能和界面穩(wěn)定性的基于動態(tài)硼酸酯鍵自愈合聚合物電解質(zhì)（DB-SHPEs）。交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可有效改善聚合物電解質(zhì)的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)中動態(tài)硼酸酯鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可通過交換反應(yīng)實現(xiàn)聚合物網(wǎng)絡(luò)重排賦予電解質(zhì)材料自愈合性能（圖1）。在材料受到外力或自身應(yīng)力出現(xiàn)裂紋時能進(jìn)行高效修復(fù)，延長鋰金屬電池的使用壽命。借助硼酸酯鍵中硼原子與陰離子的相互作用，促使鋰離子均勻分布于電解質(zhì)內(nèi)部和鋰金屬表面，誘導(dǎo)形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面，從而有效提高了電解質(zhì)材料與鋰金屬的界面穩(wěn)定性。 


圖1. DB-SHPEs的制備、自愈合機(jī)理以及硼酸酯與鋰鹽的相互作用示意圖。


  將兩個半圓電解質(zhì)樣品進(jìn)行接觸并小心按壓使其緊密接觸，60 oC下經(jīng)3 h后聚合物的斷裂界面基本消失，愈合后的聚合物膜可承受500 g的重量，表明DB-SHPEs具有良好的自愈合性能（圖2a-e）。此外，借助硼酸酯的交換反應(yīng)，DB-SHPEs結(jié)構(gòu)中的硼酸酯鍵能夠賦予聚合物電解質(zhì)可回收和可加工性（圖2h）；厥蘸蟮木酆衔镫娊赓|(zhì)表現(xiàn)出穩(wěn)定的離子電導(dǎo)率，表明DB-SHPEs同時具有良好的可回收性能。 


圖2. DB-SHPEs的自愈合、可循環(huán)性能測試。


  聚合物電解質(zhì)與電極之間的界面兼容性是影響鋰金屬電池的重要性能。采用Li/DB-SHPE-5/Li對稱電池的恒電流鋰沉積循環(huán)實驗評估DB-SHPE-5與鋰金屬的界面穩(wěn)定性。Li/DB-SHPE-5/Li對稱電池在0.1 mA cm-2電流密度下循環(huán)1200 h仍然表現(xiàn)出穩(wěn)定的極化曲線（圖3a）。為研究DB-SHPE-5基電池在不同電流密度下的倍率循環(huán)性能，對電池繼續(xù)施加0.1，0.2，0.5和1 mA cm-2的電流密度，循環(huán)超過500 h電池內(nèi)部無短路現(xiàn)象出現(xiàn)（圖3b）。結(jié)果表明，DB-SHPE-5與鋰金屬具有良好的界面穩(wěn)定性，可保證鋰金屬電池的長期循環(huán)穩(wěn)定性。 


圖3. Li/DB-SHPE-5/Li對稱電池的界面穩(wěn)定性表征。


  近日，該研究成果在線發(fā)表在國際知名期刊Advanced Functional Materials（Adv. Funct. Mater., 2023, 2212005）上。江西師范大學(xué)周炳華博士為論文的第一作者和通訊作者，王志朋研究員和華中科技大學(xué)薛志剛教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金等項目的資助。


  論文信息：

  Binghua Zhou*, Tingzhi Deng, Chaolong Yang, Mingxi Wang, Huan Yan, Zhen Yang, Zhipeng Wang*, Zhigang Xue*. Self-Healing and Recyclable Polymer Electrolyte Enabled with Boronic Ester Transesterification for Stabilizing Ion Deposition. Adv. Funct. Mater., 2023, 2212005.

  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212005

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