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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(jì)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(duì)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(jià)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(gè)富有挑戰(zhàn)性的問題。


  針對(duì)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(dòng)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(dòng)態(tài)硼酸酯鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可通過交換反應(yīng)實(shí)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(shí)能進(jìn)行高效修復(fù),延長(zhǎng)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。 


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(gè)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(shí)具有良好的可回收性能。 


2. DB-SHPEs的自愈合、可循環(huán)性能測(cè)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(duì)稱電池的恒電流鋰沉積循環(huán)實(shí)驗(yàn)評(píng)估DB-SHPE-5與鋰金屬的界面穩(wěn)定性。Li/DB-SHPE-5/Li對(duì)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(duì)電池繼續(xù)施加0.1,0.20.51 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(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。 


3. Li/DB-SHPE-5/Li對(duì)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(guó)際知名期刊Advanced Functional MaterialsAdv. 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(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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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