【儀表網 研發(fā)快訊】近期，化院李承輝教授團隊與金鐘教授團隊合作，在電池材料領域取得系列進展。
水系鋅離子電池具有高安全、低成本、環(huán)境友好的技術優(yōu)勢，并且壽命長、充電快、能量密度適中，是最具有應用前景的新一代儲能技術之一。然而，水系鋅離子電池還面臨電解液溫域窄、電化學窗口窄、鋅負極枝晶生長等挑戰(zhàn)，從而導致其庫侖效率低、循環(huán)壽命有限。此前，李承輝和金鐘團隊通過鋅離子與變齒配體之間快速、可逆的分子內/分子間配體交換可以耗散能量的策略構建了一種高性能水凝膠電解質。獲得的水凝膠具有優(yōu)異的機械性能、抗疲勞性、高離子電導率(38.2 mS cm−1)、良好的粘附性(19.1 kPa)和超低的凝固點(−97 °C)。由于變齒配體有助于改善鋅離子溶劑化結構，并構建遷移通道引導鋅的均勻沉積，Zn||Zn對稱電池表現出穩(wěn)定的電鍍/剝離行為和長循環(huán)穩(wěn)定性。Zn||V2O5全電池的容量高達230.6 mAh g−1，1000次循環(huán)后的容量保持率為75.2%。這項研究為開發(fā)抗機械變形、無枝晶、抗凍的水系鋅離子電池提供了一種簡便的策略(Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2314864)。近日，他們又報道了一種超高模量水凝膠電解質，該水凝膠電解質能通過機械抑制效應克服鋅枝晶的生長應力。通過結合濕法退火、溶劑置換和鹽析三種工藝方法以及調節(jié)疏水域和結晶域，獲得了具有高含水量(~ 70%)、高模量(198.5 MPa)、高韌性(274.3 MJ m−3)和高離子電導率(28.9 mS cm−1)的水凝膠電解質，其性能明顯優(yōu)于先前報道的聚乙烯醇(PVA)基水凝膠。氰基配體構建的鋅離子快速遷移通道顯著改善了電解質的電化學性能。該策略利用相分離避免了離子電導率和機械強度之間的矛盾，突破了以往水凝膠電解質設計策略的局限性。相關工作以“An Ultrahigh-Modulus Hydrogel Electrolyte for Dendrite-Free Zinc Ion Batteries”為題發(fā)表在最新一期的《Adv. Mater.》。南京大學博士研究生陳宗舉、沈天宇為論文共同第一作者，共同通訊作者為南京大學化學化工學院李承輝教授、南京大學化學化工學院金鐘教授和南京林業(yè)大學理學院羅艷龍副教授。
圖1. 超高模量水凝膠電解質的結構與制備
圖2. Zn||V2O5全電池的性能
用于鋰電池的聚合物電解質雖然具有易于加工的優(yōu)點，但是存在Li+離子電導率和Li+遷移數(tLi+)較低的問題，阻礙了其實際的應用。雖然可以通過物理摻雜無機填料，在一定程度上提升Li+離子電導率和tLi+，但是無機填料的加入會引起相分離，導致Li+通道不連續(xù)且不均勻。同時引入的無機填料易于團聚，導致界面阻力增加和傳質動力學減慢。在鋰離子電池領域，開發(fā)具有較高Li+離子電導率和tLi+以及寬溫域的聚合物電解質依然存在很高的挑戰(zhàn)性。李承輝教授團隊聯合金鐘教授團隊利用鉬(Mo)槳輪配合物作為四齒連接體，在分子水平上連接有機和無機組分，合成了一種結構新穎的金屬聚合物。其與LiFSI復合，獲得了一種在室溫條件下具有高離子電導率(0.712 mS cm−1)、高離子遷移數(tLi+= 0.625)及較寬的電化學穩(wěn)定窗口(> 5 V)的金屬聚合物電解質(MPE)，用于構建高性能的全固態(tài)鋰金屬電池(LMBs)。MPE組裝的Li||LiFePO4(LFP)電池展現出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，在室溫條件下以2.0 C的倍率循環(huán)1500次后，其容量保持率仍高達89.6%。此外，該Li||LFP電池在-15至100°C的極端溫度范圍內仍能保持穩(wěn)定循環(huán)，證明了其在惡劣工作條件下的出色適應性和可靠性。總之，利用配位化學的優(yōu)勢，這一策略不僅有效克服了傳統無機-有機復合電解質的缺陷，而且打破了傳統聚合物電解質設計的限制，促進了基于聚合物電解質的固態(tài)鋰金屬電池的實用化發(fā)展。研究論文以“Metal-Organic Coordination Enhanced Metallopolymer Electrolytes for Wide-Temperature Solid-State Lithium Metal Batteries”為題發(fā)表在最新一期的《Angew. Chem. Int. Ed.》上。南京大學副研究員趙培臣和博士研究生王耀達為論文共同第一作者，李承輝教授和金鐘教授為論文的共同通訊作者。
圖3. 金屬聚合物電解質(MPE)示意圖
圖4. 全電池性能
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