科研进展丨高分子凝胶电解质助力准固态储能器件的发展

2022-09-13
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以高分子材料为电解质的固态/准固态电池是极具环境安全优势和商业潜力的下一代储能器件。然而,不相容的固体界面、固\固界面较大的阻抗、电解质中部分自由水引起的副反应和枝晶生长造成了这些储能器件极短的循环寿命和极低的放电深度,极大限制了这些器件的商业化进展。如何构筑相容的固体界面成为了解决这些问题的关键。

近日,松山湖材料实验室环境与能源高分子材料团队利用化学“焊接”的概念,完美解决了不相容的固体电解质/电极界面问题。该工作巧妙利用金属电极的天然还原性,结合高分子的氧化还原聚合方法,以完全浸润电极的液态单体为原料,原位构筑了固态的高分子凝胶电解质,并助力锌离子储能器件实现了超长的循环稳定性。这种原位聚合策略在电极和电解质界面实现化学键合,不仅解决了界面差的问题,还促使锌沿(002)面择优沉积,从而使得原位形成的对称电池寿命高达5100小时,在锌的利用率高达87%时依旧能稳定运行240小时。

图1  非原位和原位高分子凝胶电解质界面的结构示意图

非原位的高分子凝胶电解质(Ex-situ GPE)与金属电极之间界面结合较差,界面处存在大量的自由水分子,导致枝晶生长和副反应严重(图1a)。而金属电极引发原位聚合形成的高分子凝胶电解质(In-situ GPE)与电极通过化学络合作用紧密结合,并且由于氢键作用水分子的活性也大大降低,所以界面处副反应和枝晶生长都被极大抑制(图1b)。

图2  原位高分子凝胶电解质的制备动力学和界面结构

图3  原位高分子凝胶电解质保证初始锌均匀剥离和沉积

图4  锌晶体结构的演变

图5  以原位高分子凝胶为电解质的对称电池性能评估

图6  以原位高分子凝胶为电解质的混合离子电容器的性能评估

该工作展示的金属电极引发原位聚合制备高分子凝胶电解质的策略,集成了坚固的界面和一体式电池的制备,为界面相容的固态/半固态电化学储能器件提供了新的设计思想,具有良好的普适性,能推广到其他具有还原性金属负极的器件中,可望推动固态电池的商业化发展。

相关成果以题为“Chemical Welding of Electrode-Electrolyte Interface by Zn Metal-Initiated in-situ Gelation for Ultralong-Life Zn-Ion Batteries”在国际著名期刊 Advanced Materials上发表。松山湖材料实验室为第一通讯单位,松山湖材料实验室助理工程师秦瑶为论文第一作者,松山湖材料实验室王欣研究员为论文通讯作者。本项工作得到了松山湖材料实验室前沿科学研究启动基金(Y1D1031H311)的大力支持。

高分子材料是松山湖材料实验室布局的十大研究方向之一。作为高分子材料研究的代表团队,松山湖材料实验室环境与能源高分子材料团队成立一年来,面向世界科技前沿和国家重大需求,瞄准清洁能源储能并结合国家“双碳”目标对研究方向的要求,聚焦能源/环境/材料交叉领域的高分子结构设计、高效制备与性能提升,持续发力全天候高分子凝胶电解质、局域疏水高分子电解液添加剂、界面功能高分子涂层、低温预氧化碳纤维高分子前驱体,以及有害废弃元素处理与资源化、二氧化碳聚合等课题,迄今以松山湖材料实验室为通讯单位在Advanced Materials、Chemical Engineering Journal、Polymer等期刊发表论文4篇,主编英文专著“Polymer Nanoparticle: Preparation, Properties and Application”1部,申请发明专利1项。团队近期亦有诸多高水平的研究工作正在投稿和接受同行评议中,这些成果将有望进一步提升松山湖材料实验室的高分子材料学术影响力。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207118

 

 

撰稿:环境与能源高分子材料团队