水電解質(zhì)具有良好的環(huán)境友好性和良好的離子導(dǎo)電性,是商用有機(jī)電解質(zhì)很有前途的替代品。然而,它們的工作電壓窗口很窄(1.23 V),因此產(chǎn)生的能量密度不足。鹽中水電解質(zhì)(WiSEs)被認(rèn)為是一種新的方式,可以獲得良好的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性,并具有廣闊的發(fā)展前景(3.0 V的水
電池)。在WiSEs中,高濃度的雙鋰(三甲基磺酰亞胺)(LiTFSI) (>20 mol kg -1)有效地使任何可用的水分子與溶解的陽離子形成溶劑鞘結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是,氫氣和氧氣的演化反應(yīng)超出了它們的熱力學(xué)勢。然而,穩(wěn)定的電位窗口和高離子電導(dǎo)率必須滿足超高濃度,這既不現(xiàn)實(shí)也不有效,因?yàn)榭紤]到它們的粘度、成本和溶解度限制。
此外,高粘度加上固有的液體泄漏往往會(huì)限制流量性能和安全性。在WiSEs中,高濃度的LiTFSI形成了一個(gè)多孔網(wǎng)絡(luò),其中納米水渠保證了離子的傳輸。如果引入非本征離子通道將離子在高離子耦合方向上的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿通道的快速輸運(yùn),制備具有優(yōu)異離子導(dǎo)電性和高速率性能的WiSE型電解質(zhì)是有希望的。
吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院湯鈞教授和材料學(xué)院張偉教授合作設(shè)計(jì)了一種新型的由聚丙烯酰胺、殼聚糖和四乙氧基硅烷直接共聚而成的聚丙烯酰胺基水凝膠電解質(zhì)(PACH/SiO2)。高濃度WiSEs中的水分子與水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)上豐富的羥基和氨基結(jié)合形成極性電暈,自發(fā)構(gòu)建Li+通道。因此,形成了一種基于PACH/SiO2的超高鹽負(fù)荷WiSE (HiSE)。重要的是,強(qiáng)離子耦合WiSE通過三維通道轉(zhuǎn)化為HiSE,水凝膠的存在將進(jìn)一步降低水的比例,有效抑制不良反應(yīng)的發(fā)生。HiSE為2.6 V的電化學(xué)窗口和51.3 mS cm-1的高離子電導(dǎo)率(WiSEs的5倍)創(chuàng)造了良好的環(huán)境,并具有良好的可操作性和自愈能力。相關(guān)論文發(fā)表于J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 24800–24806,并被評(píng)選為內(nèi)部前封面和熱點(diǎn)文章。
圖1.柔性自愈HiSE的設(shè)計(jì)策略和特性
HiSE顯示出卓越的拉伸性能,鹽攜帶能力,熱穩(wěn)定性和水合能力。當(dāng)浸泡濃度達(dá)到10M時(shí),凝膠內(nèi)部H2O:Li+≈3:1, 通過差示掃描量熱法和拉曼對(duì)體系中的水進(jìn)行標(biāo)定,解釋所有的水分子全部轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水,并通過理論計(jì)算得出聚合物的水合能力大于離子,揭示了水分子是集合在聚合物骨架上,形成鋰離子通道。
圖2. 模擬的鋰離子通道
利用HiSE集成的雙電層電容器(EDLC)可以產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)秀的9t綜合性能, 比如:高工作電壓 2.2 V, 高電容的140.1 F g-1, 大能量密度23.54 W h kg-1, 和10000圈以后仍然有91.7%的容量保持率。
圖3. 基于HiSE的EDLC的電化學(xué)性能
同時(shí),集成的AC//LiMn2O4鋰離子電池(ALBs)同時(shí)也展示了HiSE的多功能性。由于電解液的電壓窗口延長,電池具有清晰的插入峰和良好的速率性能 展現(xiàn)出110.7 mA h g-1at 0.1 A g-1。特別地,新型HiSE的靈活性和自愈能力顯著地促進(jìn)了柔性EDLCs和ALBs的應(yīng)用,集成器件表現(xiàn)出優(yōu)異的速率性能。
圖4. 基于HiSE的ALBs的電化學(xué)性能
(責(zé)任編輯:子蕊)