80电影天堂网,少妇高潮一区二区三区99,jαpαnesehd熟女熟妇伦,无码人妻精品一区二区蜜桃网站

搜索：  
吉林大學徐吉靜教授 Angew: 用于固態(tài)鋰電池的固有微孔聚合物基固態(tài)離子導體
2023-07-25  來源：高分子科技

  隨著“碳達峰，碳中和”成為全球共識，儲能產(chǎn)業(yè)的市場發(fā)展?jié)摿薮，亟需發(fā)展具有高比能的下一代電池技術。以鋰金屬作為負極的鋰金屬電池因其高能量密度優(yōu)勢，成為最有希望的候選者。然而，由于商用有機電解質具有揮發(fā)性和易燃性的特征，電池運行過程中極易引發(fā)一系列安全問題。本團隊前期研究證明利用高機械強度和安全性的固態(tài)電解質替代液態(tài)電解質，可以有效避免不可逆的電解液分解和負極鋰枝晶生長，從而提高電池的安全性和循環(huán)壽命（Nature 2021, 592, 551-557、J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 5718-5729、Chem 2023, 9, 394-410、Matter 2023, 6, 142-157、Nat. Commun. 2020, 11, 2191、Adv. Mater. 2020, 32, 2002559）。因此，探索兼具高離子電導率、高電化學穩(wěn)定性、高機械強度、高界面加工性和低成本的新型固態(tài)電解質材料，是鋰金屬電池研究的重要發(fā)展方向，且面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。


  近日，吉林大學化學學院徐吉靜教授團隊利用具有高度剛性和扭曲主干結構的玻璃態(tài)自聚微孔的梯形聚合物，并對其進行酰胺肟官能團改性得到了一種高離子導電固態(tài)電解質（Li+-exchanged amidoxime-functionalized PIM-1，AO-PIM-1-Li）。如圖1所示，通過骨架成分及傳輸通道孔徑的調控可以優(yōu)化固有微孔離子傳輸通道中鋰離子的傳輸通道，同時保持離子傳導的結構框架。作者通過分子動力學模擬證明了PIMs的高自由體積分數(shù)，可以使自由體積元素有效地互連為篩分分子和離子的篩子，從而調控陰離子和陽離子在結構中的傳輸。氮氣等溫線表明AO基團修飾導致聚合物的BET比表面積從684 m2 g?1（PIM-1）降至334 m2 g?1（AO-PIM-1），氫鍵相互作用導致了更緊密的鏈堆積和更多的超微孔，同時保留了較高的微孔體積。靜電式分布計算結果表明，AO基團修飾導致局部電場發(fā)生改變，具有較高正電性的AO基團更有利于對鋰鹽陰離子的吸附，使結構中產(chǎn)生更多的自由鋰離子。理論計算結果顯示鋰離子與AO-PIM-1具有更高的結合能，表明AO-PIM-1具有更高的鋰離子傳導能力。 


圖1 具有內在離子通道的PIMs基固態(tài)電解質表征


  根據(jù)PIM-1和AO-PIM-1在有機溶劑中的不同極性，通過溶液澆鑄方法和溶劑交換反應制備了機械堅固的鋰離子導電的PIM-1-Li和AO-PIM-1-Li固態(tài)電解質膜。通過變溫電化學阻抗譜、固體核磁以及分子動力學模擬等方法，驗證了AO-PIM-1-Li優(yōu)異的離子傳輸能力（離子電導率1.06×10?3 S cm?1；活化能0.19 eV；鋰離子遷移數(shù)0.78），并且研究發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化設計PIMs的骨架結構，能夠調控鋰離子在分子孔道中的傳輸速率（圖2）。以上理論與實驗均證明了PIMs具有優(yōu)異的離子傳導特性。此外，對PIM-1-Li和AO-PIM-1-Li固態(tài)電解質膜進行了一系列的化學、電化學以及機械性能測試，結果表明PIM-1-Li和AO-PIM-1-Li固態(tài)電解質膜均具有較高的化學穩(wěn)定性、電化學穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性和力學強度。 


圖2 PIMs固態(tài)電解質的鋰離子傳導性能和傳輸機制


  所制備的離子導電的PIMs固態(tài)電解質既可以自聚做成柔性致密的電解質膜，又可以作為鋰離子導電粘結劑加入到固態(tài)正極的制備中。圖3給出了AO-PIM-1-Li作為離子導電粘結劑的原理圖及所制備的固態(tài)正極的掃描電鏡圖片。結果顯示，AO-PIM-1-Li可以有效地連接LiFePO4正極顆粒，形成連續(xù)的電子、離子傳導通路，避免非活性粘結劑導致的容量損失。以AO-PIM-1-Li作為離子導電粘結劑的固態(tài)正極、AO-PIM-1-Li作為固態(tài)電解質的固態(tài)鋰金屬電池在0.2 C的倍率下穩(wěn)定循環(huán)200圈，容量保持穩(wěn)定。所組裝的固態(tài)軟包電池具有優(yōu)異的柔性變行能力、在彎折和扭曲的情況下可以穩(wěn)定運行100圈，并且在針刺和裁剪后可以正常工作。

 

圖3 基于PIMs固態(tài)電解質的全電池性能和機械穩(wěn)定性測試


  為了構筑具有電子、離子以及氣體的同時傳輸能力的固態(tài)空氣正極用于固態(tài)鋰空氣電池，將AO-PIM-1-Li與具有優(yōu)異催化能力的N摻雜催化劑復合制備了高離子導電和高電子導電的固態(tài)空氣正極（圖4）。所組裝的固態(tài)鋰空氣電池展現(xiàn)出11307 mAh g?1的放電容量和247次的長循環(huán)壽命。并且在1000 mA g?1的電流密度下，放電電位可以保持在2.4 V，證明了其優(yōu)異的倍率性能。利用原位電化學差分質譜研究了基于AO-PIM-1-Li的固態(tài)鋰空氣電池在充放電過程中氧氣的可逆消耗和生成。結果表明，基于AO-PIM-1-Li的固態(tài)鋰空氣電池具有優(yōu)異的可逆性。

 

圖4 基于PIMs固態(tài)電解質的固態(tài)鋰空氣電池的電化學性能和可逆性


  綜上，該工作創(chuàng)制了具有高離子電導率、優(yōu)異電化學穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性PIMs固態(tài)電解質，深入探究了PIMs中鋰離子的輸運機制，基于此構筑了高安全長壽命的固態(tài)鋰金屬電池和鋰空氣電池。該工作在關鍵材料設計和電池集成方面均具有明確的創(chuàng)新性，為發(fā)展下一代高性能固態(tài)電池技術提供了新思路。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202308837

版權與免責聲明：中國聚合物網(wǎng)原創(chuàng)文章？锘蛎襟w如需轉載，請聯(lián)系郵箱：info@polymer.cn，并請注明出處。
（責任編輯：xu）
【大 中 小】【打印】【關閉】

誠邀關注高分子科技

更多>>最新資訊
更多>>科教新聞