【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，化院李承輝教授團(tuán)隊(duì)與金鐘教授團(tuán)隊(duì)合作，在電池材料領(lǐng)域取得系列進(jìn)展。
 

　　水系鋅離子電池具有高安全、低成本、環(huán)境友好的技術(shù)優(yōu)勢，并且壽命長、充電快、能量密度適中，是最具有應(yīng)用前景的新一代儲能技術(shù)之一。然而，水系鋅離子電池還面臨電解液溫域窄、電化學(xué)窗口窄、鋅負(fù)極枝晶生長等挑戰(zhàn)，從而導(dǎo)致其庫侖效率低、循環(huán)壽命有限。此前，李承輝和金鐘團(tuán)隊(duì)通過鋅離子與變齒配體之間快速、可逆的分子內(nèi)/分子間配體交換可以耗散能量的策略構(gòu)建了一種高性能水凝膠電解質(zhì)。獲得的水凝膠具有優(yōu)異的機(jī)械性能、抗疲勞性、高離子電導(dǎo)率(38.2 mS cm−1)、良好的粘附性(19.1 kPa)和超低的凝固點(diǎn)(−97 °C)。由于變齒配體有助于改善鋅離子溶劑化結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建遷移通道引導(dǎo)鋅的均勻沉積，Zn||Zn對稱電池表現(xiàn)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(dá)230.6 mAh g−1，1000次循環(huán)后的容量保持率為75.2%。這項(xiàng)研究為開發(fā)抗機(jī)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(bào)道了一種超高模量水凝膠電解質(zhì)，該水凝膠電解質(zhì)能通過機(jī)械抑制效應(yīng)克服鋅枝晶的生長應(yīng)力。通過結(jié)合濕法退火、溶劑置換和鹽析三種工藝方法以及調(diào)節(jié)疏水域和結(jié)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(dǎo)率(28.9 mS cm−1)的水凝膠電解質(zhì)，其性能明顯優(yōu)于先前報(bào)道的聚乙烯醇(PVA)基水凝膠。氰基配體構(gòu)建的鋅離子快速遷移通道顯著改善了電解質(zhì)的電化學(xué)性能。該策略利用相分離避免了離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度之間的矛盾，突破了以往水凝膠電解質(zhì)設(shè)計(jì)策略的局限性。相關(guān)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(xué)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(xué)化學(xué)化工學(xué)院李承輝教授、南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院金鐘教授和南京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院羅艷龍副教授。
 

圖1. 超高模量水凝膠電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(zhì)雖然具有易于加工的優(yōu)點(diǎn)，但是存在Li+離子電導(dǎo)率和Li+遷移數(shù)(tLi+)較低的問題，阻礙了其實(shí)際的應(yīng)用。雖然可以通過物理摻雜無機(jī)填料，在一定程度上提升Li+離子電導(dǎo)率和tLi+，但是無機(jī)填料的加入會引起相分離，導(dǎo)致Li+通道不連續(xù)且不均勻。同時引入的無機(jī)填料易于團(tuán)聚，導(dǎo)致界面阻力增加和傳質(zhì)動力學(xué)減慢。在鋰離子電池領(lǐng)域，開發(fā)具有較高Li+離子電導(dǎo)率和tLi+以及寬溫域的聚合物電解質(zhì)依然存在很高的挑戰(zhàn)性。李承輝教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合金鐘教授團(tuán)隊(duì)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(jī)和無機(jī)組分，合成了一種結(jié)構(gòu)新穎的金屬聚合物。其與LiFSI復(fù)合，獲得了一種在室溫條件下具有高離子電導(dǎo)率(0.712 mS cm−1)、高離子遷移數(shù)(tLi+= 0.625)及較寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口(> 5 V)的金屬聚合物電解質(zhì)(MPE)，用于構(gòu)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(xiàn)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(dá)89.6%。此外，該Li||LFP電池在-15至100°C的極端溫度范圍內(nèi)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(yīng)性和可靠性?？傊?，利用配位化學(xué)的優(yōu)勢，這一策略不僅有效克服了傳統(tǒng)無機(jī)-有機(jī)復(fù)合電解質(zhì)的缺陷，而且打破了傳統(tǒng)聚合物電解質(zhì)設(shè)計(jì)的限制，促進(jìn)了基于聚合物電解質(zhì)的固態(tài)鋰金屬電池的實(shí)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(xué)副研究員趙培臣和博士研究生王耀達(dá)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(zhì)(MPE)示意圖
 

圖4. 全電池性能