西安交通大学丁书江、高国新Angew：界面不稳定滑动交联来协助！

时间: 2024-10-01 12:03:17 |   作者: 爱游戏app下载官网支持

  凝胶聚合物电解质（GPE）兼具传统电解液和全固态聚合物电解质的长处，具有高离子电导率、电解质与电极间界面灵敏、无液体走漏危险等特色，在固态锂金属电池（LMBs）研讨中十分重视。但是，惯例聚合物基体骨架由不行滑动共价键组成，当应对电池循环过程中枝晶成长和体积动摇时没办法确保电极/电解质界面的结构完整性，形成锂金属电池循环功能快速恶化。因而，亟需开展统筹离子快速传导和坚韧机械功能的聚合物骨架，以确保电池全体功能的提高。

  近来，受聚轮烷“滑环”交联结构高耐性的启示，西安交通大学的丁书江教授和高国新副教授团队规划制备了一种具有分子滑轮结构的滑动交联弹性体（SCE）。其间，滑轮架构中的α-环糊精（α-CDs）可以沿聚合物链滑动，开释聚合物网络中剩余应力，使SCE的耐性提高到157.22 MJ m -3。根据SCE优胜的机械耐性，进一步将电解液锁定在SCE聚合物网络中制成滑动交联凝胶聚合物电解质（SCGPE）用于LMBs。该研讨成果以“Highly tough slide-crosslinked gel polymer electrolyte for stable lithium metal batteries”为题宣布在世界威望期刊《德国应化》（Angewandte Chemie International Edition）。西安交通大学邓雪甜硕士和新加坡国立大学陈晶博士为本文一起榜首作者。



  针对聚合物电解质现存的离子电导率和机械功能的无法统筹问题，作者经过分子结构规划，引进聚轮烷作为动态交联剂，制备滑动交联弹性体（SCE）用于凝胶聚合物电解质的基体。为了深化探求聚轮烷含量对SCE微相别离和微观机械功能的影响，经过小角X射线散射试验、X射线衍射试验、力学功能测验等手法对其进行表征。成果显现跟着聚轮烷含量添加，SCE中α-环糊精的堆积程度添加，导致硬相含量添加，终究形成的微相别离程度添加。



  在所规划的SCGPEs中，聚轮烷（PRs）供给了快速的Li +离子传输通道。因为尺度效应，Li +（直径为0.76 Å）会沿着α-CDs（空腔尺度为 4.7-5.3 Å）的空腔搬迁，而TFSI -阴离子（直径为7.9 Å）则会被隔绝在外。此外，聚合物骨架中很多的电负性基团按捺了TFSI -阴离子搬迁，促进了锂盐的解离。这两种效应一起提高了锂离子的传输功率，并诱导锂离子均匀堆积，在30 °C时完成了1.73×10 -3 S cm -1 的高离子电导率和0.71的高锂离子搬迁数。



  图3. SCGPE的亲液性、机械功能、电化学特性及分子间相互作用机理： （a）SCE和商用Celgard PP隔阂的接触角丈量成果；（b）SCGPE 在室温下的离子电导率-浸泡时刻曲线，以及 SCE 和聚丙烯隔阂的电解质吸收状况；（c）SCGPE 的离子电导率和相应的Arrhenius图，聚合物基体在液态电解质中的浸泡时刻为1分钟至5分钟，温度规模为25℃至70℃；（d）SCGPE-1~5 的应力-应变曲线%和拉伸速率为50 mm min-1时的接连循环拉伸曲线；（f）SCE、SCGPE和LE在720-760 cm-1 处的拉曼图谱；（g）1590-1800 cm-1 和 （h）3050-3900 cm-1 处的SCE、SCGPE的ATR-FTIR图谱；（i）聚合物与LiTFSI分子间相互作用机理示意图。



  图4. 30 °C时SCGPE-3在对称锂电池中的电化学功能：（a）LiSCGPE-3Li和（b）LiLELi电池极化10 mV 时的电流-时刻曲线（插图为极化前后的Nyquist图）；（c）扫速为1 mV s-1 时SCGPE和LE在LiSS电池中的LSV曲线；（d）LiSCGPE-3Li电池在电流密度为0.1 mA cm-2 时的锂堆积/剥离循环功能（插图为不同时刻的部分扩大图）；（e）锂堆积/剥离200 h后，用SCGPE-3和LE拼装的锂金属电极的 SEM 图画；（f）LiSCGPE-3Li对称电池中循环锂金属电极的Li 1s、N 1s和F 1s的XPS图谱；（g）SCGPE-3电解质/Li金属阳极界面的形状演化；（h）运用SCGPE-3拼装的电池中 Li+ 离子的堆积机制和锂阳极外表示意图。

  因为滑环结构可供给较大的应力缓冲，可赋予电极/电解质杰出的界面结构稳定性，因而所拼装的LiSCGPE-3LFP电池具有高放电比容量和超卓的长循环稳定性。在1 C电流密度下循环1000次后，容量坚持率高达89.6%。即便在16 C的高倍率下循环，电池仍能供给79.2 mAh g -1 的高放电比容量。进一步拼装成LiSCGPELFP软包电池，仍然表现出杰出的循环稳定性、超卓的柔耐性和安全性，在随意弯曲、裁剪过程中电池仍能正常作业。该作业为凝胶聚合物电解质的分子结构规划供给了新思路。





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