固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPE)以其高安全性、能量密度、耐高溫、不易燃易爆而聞名。此外,它還具有能量密度高、工作溫度范圍廣、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)。然而,由于SPE在室溫下的離子導(dǎo)電率低(<10-3 S cm-1),且與電極的界面性能差,因此尚未在實(shí)踐中應(yīng)用。作為一種具有巨大潛力的聚合物電解質(zhì),準(zhǔn)固體聚合物電解質(zhì)(QPE)可以有效地克服與電極接觸性能差的問題。然而,QPE存在各種問題,如溶劑殘留和機(jī)械性能不足,限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。增強(qiáng)QPE的策略包括混合、共聚、添加無(wú)機(jī)填料和增塑劑。但到目前為止,由于Li+遷移和機(jī)械性能的限制,大多數(shù)用于季銨鹽復(fù)合電解質(zhì)的聚合物基體,如聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)、聚丙烯腈和聚環(huán)氧乙烷,已經(jīng)無(wú)法滿足長(zhǎng)循環(huán)性和抑制鋰枝晶的需求。
纖維素(CLS)是一種天然聚合物,是人類最寶貴的天然可再生資源。由于有許多極性化學(xué)基團(tuán)(如-OH、-O-),它具有離子傳導(dǎo)能力,這使它成為QPE的候選聚合物基體。然而,纖維素表現(xiàn)出不溶性,加工性差,并且由于密集的分子鏈大大阻礙了Li+的傳輸,因此Li+的傳導(dǎo)性較低。改性纖維素已成為克服瓶頸問題的重要手段。例如,Liao等人通過冰分離誘導(dǎo)的自組裝,用羥乙基纖維素基纖維素氣凝膠改性聚丙烯膜,表現(xiàn)出更高的電解質(zhì)吸收率、更高的離子傳導(dǎo)性和更好的循環(huán)性能。作為由纖維素中的羥基酯化產(chǎn)生的商業(yè)衍生物,醋酸纖維素(CLA)表現(xiàn)出與電極的良好兼容性,成膜性和電絕緣性。這些特性使CLA在QPE中發(fā)揮重要作用。
圖1. 基于CLA的QPE的結(jié)構(gòu)和離子傳輸通道示意圖。纖維素(a)和CLA(b)的結(jié)構(gòu)和特性的差異。插入纖維素分子鏈的CH3COO-結(jié)構(gòu)打開了Li+傳輸通道,提高了Li+離子的傳導(dǎo)性。
圖3. 基于CLA based QPE的Li+傳輸特性和電化學(xué)性能。
圖6. 基于CLA的QPE的離子傳輸機(jī)制和電化學(xué)穩(wěn)定性模擬。(a) CLA的優(yōu)化結(jié)構(gòu);(b) CLA與Li+結(jié)合的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和解離能;(c) CLA與Li+結(jié)合的MEPS圖;(d) CLA基QPE的離子傳輸機(jī)制示意圖;(e) CLA和LiTFSI與普通聚合物的HOMO和LUMO能級(jí)比較。
原文鏈接:Dai Wang, Hui Xie, Qiang Liu, Kexin Mu, Zhennuo Song, Weijian Xu, Lei Tian, Caizhen Zhu, Jian Xu. Low-Cost, High-Strength Cellulose-based Quasi-Solid Polymer Electrolyte for Solid-State Lithium-Metal Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202302767
https://doi.org/10.1002/anie.202302767
作者簡(jiǎn)介
田雷,深圳大學(xué)特聘副研究員,助理教授,碩士生導(dǎo)師,深圳市海外高層次人才,F(xiàn)任《高分子通報(bào)》編委。主要從事離子、電子雙導(dǎo)高性能高分子材料的研究,包括高分子能源材料、寬溫域高電導(dǎo)固態(tài)聚合物電解質(zhì)、高安全高能量密度固態(tài)聚合物電池以及高強(qiáng)高韌軟電子材料的設(shè)計(jì)制備與應(yīng)用等,主持或參與國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、省市重點(diǎn)項(xiàng)目等多項(xiàng),在Angew. Chem. Int. Ed.,Macromolecules等國(guó)際知名期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文40多篇。
團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期招聘博士后/研究助理。研究方向包括但不限于高分子合成、固態(tài)聚合物電解質(zhì)、計(jì)算化學(xué)等。
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- 《Sci. Adv.》:面向冰雪抗融應(yīng)用的輻射制冷材料 2022-02-18
- 深圳大學(xué)田雷 AFM:用于高穩(wěn)定性固態(tài)鋰金屬電池的離子導(dǎo)電分子接枝可持續(xù)纖維素基準(zhǔn)固體復(fù)合電解質(zhì) 2024-05-10
- 北京大學(xué)龐全全教授團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.: 氟化微疇調(diào)控-聚陽(yáng)離子基固態(tài)聚合物電解質(zhì)用于高電壓全固態(tài)鋰金屬電池 2025-03-14
- 江南大學(xué)劉天西/陳蘇莉、河南大學(xué)田志紅 Angew(Hot Paper): 超分子拓展的聚合物電解質(zhì)助力高能全固態(tài)鋰金屬電池 2025-03-02
- 長(zhǎng)春應(yīng)化所王獻(xiàn)紅團(tuán)隊(duì) JACS: 可逆鋰鹽催化實(shí)現(xiàn)固態(tài)聚合物電解質(zhì)閉環(huán)回收 2025-02-27
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