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湖南工大廖海洋和電子科大張永起課題組合作：聚離子液體基離子凝膠固體電解質助力柔性鋰離子電池

2022-06-27 來源：高分子科技

隨著電子設備的日益更新，新一代柔性電子設備越來越得到人們的青睞，柔性便攜式電子設備也迫切需要柔性鋰離子電池(LIBs)的發展。但鋰離子電池的液態電解質一般為易燃易揮發的有機溶劑，存在泄漏、不穩定、燃燒等問題，其應用面臨諸多重大安全威脅。為了有效解決安全威脅，聚合物電解質作為一種安全有效的替代品取得了顯著進展。聚合物電解質具有良好的穩定性和與電極的舒適接觸，可以從根本上解決泄漏、揮發、枝晶生長等諸多安全問題。然而聚合物電解質仍是可燃的，在熱失控時不能保持機械性能，導致災難性的威脅。此外集成于柔性電子設備內的LIB面臨長期的彎曲形變，誘使器件中的電解質萌生疲勞裂紋、分層甚至斷裂的危險。因此，下一代電解質的開發殷切需要阻燃和自修復能力的新型電解質，以克服目前由熱/物理誘導的安全危害。

湖南工業大學機械工程學院的廖海洋博士聯合電子科技大學基礎與前沿研究院的張永起研究員課題組長期從事新能源器件的研究工作。致力于通過超分子化學和結構設計功能型聚合物應用于儲能器件中。最近，課題組總結了近年來自修復電解質在柔性可拉伸儲能器件中的應用(Elecrochemica Acta, 2022, 404, 139730.)。該綜述首先針對如何實現柔性可拉伸儲能器件的方法，詳細描述了從構型設計到基底開發再到整體式電極的設計的優缺點(圖1)；為了克服因物理損傷所誘發的安全危害和壽命難題，系統講述了基于外援型自修復和本征型自修復的基本原理(圖2)，最后總結了近期基于自修復基本原理的純固態自修復電解質、凝膠態自修復電解質和復合自修復電解質的結構設計和在柔性可拉伸儲能器件中的應用。

圖1 獲得柔性可拉伸儲能器件方法示意圖（圖片來源：Elctrochim. Acta）

圖2 自修復基本原理：(a) 膠囊型自修復過程; (b) 血管型自修復過程; (c) 本征型自修復過程（圖片來源：Elctrochim. Acta）

此外，最近該課題組在阻燃功能型電解質設計方面還報道了一種具有乙烯基和氨基雙功能的咪唑離子液體(VIm-NH₂ [TFSI])，進一步與環氧接枝化的籠型環氧多面體寡聚倍半硅氧烷(EP-POSS)共混并通過光聚合制備出具有雙重交聯體系的POSS雜化聚離子液體基離子凝膠電解質(POSS-CPIL，J. Power Sources, 542, 15, 231766.)。

圖3 POSS-CPIL的合成示意圖：(a) 乙烯基和氨基雙功能的咪唑離子液體的制備; (b) 雜化交聯體系(POSS-CPIL)聚離子液體離子凝膠電解質的制備（圖片來源：J. Power Sources）

其中，通過將1-丁基-3-甲基咪唑雙(三氟甲烷磺酰)亞胺(BMIm [TFSI])限制在由共價交聯體系(丙烯酸正丁酯(BA)、聚乙二醇雙丙烯酸酯(PEGDA)、VIm-NH₂ [TFSI]所攜帶的碳碳雙鍵)和官能團交聯體系(VIm-NH₂和EP-POSS)所構成的網絡中(如圖3)。該電解質體系中，硬段(POSS結構)和軟段(PBA鏈)的協同作用賦予了離子凝膠強大的力學性能(抗拉強度高達2.5 MPa，斷裂伸長率接近90%)，從而使其可任意彎曲、扭曲和折疊。由于存在不易燃的POSS結構和幾乎不揮發的咪唑基離子液體，離子凝膠電解質的熱穩定性可達360℃，并表現出理想的阻燃性能。PEGDA鏈提供了良好的離子傳導通道，表現出高達2.5 mS cm^-1離子電導率。采用POSS-CPIL組裝的半電池在4C下表現出100 mAh g^-1的高可逆容量，在0.2 C下200次循環后仍保持初始放電容量的98%（圖4）。

圖4 POSS-CPIL的熱穩定性與電化學性能研究：(a) 熱穩定性; (b) 機械性能；(c) 阻燃性; (d-f) 電解質電化學性能; (g-i) 電解質的電池應用性能（圖片來源：J. Power Sources）

此外，用POSS-CPIL組裝的軟包可以成功地為手機充電，并且在電池暴露在空氣中也能持續穩定地供電，表明POSS-CPIL在高安全柔性電子器件方面具有潛在的應用前景（圖5）。

圖5 POSS-CPIL的軟包應用情況（圖片來源：J. Power Sources）

綜上，離子凝膠電解質可通過雜化網絡的形成以及引入POSS結構的物質平衡了固態電解質中電化學性能與機械性能的矛盾。此外，離子液體被限制在多面體寡聚倍半硅氧烷和PEGDA雜化交聯聚(離子液體)離子凝膠(POSS-CPIL)中，實現了阻燃并有效提高了電解質的靈活性，這對后期探尋高性能聚合物電解質體系有著重要意義。

原文鏈接：

1.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0013468621020144

2.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775322007583?dgcid=author

原文作者：

1. Haiyang Liao, Wenzhao Zhong, Ting Li, Jieling Han, Xiao Sun, Xili Tong, Yongqi Zhang

2. Xianhong Che, Ling Liang, Weida Hua, Haiyang Liao and Yongqi Zhang

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（責任編輯：xu）

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