ACS Materials Lett. | 南大张秋红、贾叙东: 用于锂金属电池的具有多尺度锂离子通道的单离子型凝胶电解质- X-MOL资讯

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ACS Materials Lett. | 南大张秋红、贾叙东: 用于锂金属电池的具有多尺度锂离子通道的单离子型凝胶电解质

材料

作者：X-MOL 2022-04-29

英文原题：A Flexible Single–ion Gel Electrolyte with Multiscale Channel for the High-Performance Lithium Metal Batteries

通讯作者：Qiuhong Zhang (张秋红), Xudong Jia (贾叙东), Nanjing University

作者：Wencan Ma (马文灿), Haomin Wu (吴昊旻), Yifeng Cai (蔡一枫), Zhiao Yu (俞之奡), Yaoda Wang (王耀达), Jia-Han Zhang (张嘉汉)，Qiuhong Zhang (张秋红), Xudong Jia (贾叙东)

背景介绍

锂金属电池作为最具有潜在应用价值的储能器件之一而受到广泛关注。双离子电解质尽管具有电导率高等优点，但是其无法抑制锂枝晶的生长，容易造成电池短路从而引发严重的安全问题。传统单离子型电解质在离子电导率方面表现不足，因此制备一种兼具高电导率和高锂离子迁移数的单离子型电解质具有十分重要的意义。

文章亮点

图1. 具备多尺度锂离子通道的凝胶电解质示意图

针对这一问题，南京大学张秋红、贾叙东团队设计了一种具有多尺度导离子通道的气凝胶，并在此基础上制备了一种具有高离子电导率和高锂离子迁移系数的凝胶电解质。如图1所示：通过环糊精和主链导锂离子的聚酰胺进行自组装形成1-3 nm的纳米尺度的导离子通道，进一步利用冰模板法制备出孔径为1-3 μm的微米尺度的导离子通道，多尺度通道的设计与制备实现了锂离子的快速传输。

图2. 气凝胶基体热力学稳定性、力学性能、润湿性

如图2所示，该电解质的气凝胶基体展现出良好的热学，力学性能以及优异的润湿性。该气凝胶基体在150 ℃下30分钟仍然可以保持原来的形态而不发生任何变化。液态电解液可以在40 ms内完全浸入气凝胶基底中。该气凝胶在常规状态下可实现78%的拉伸性和50%的压缩回弹性，并且当基体浸润电解液后仍然能实现76%的伸长率。

图3. 单离子凝胶电解质的电化学性能

电化学性质对锂金属电池的性能至关重要。如图3所示，该凝胶电解质展现出高离子电导率（2.5×10^-4 S cm^-1），高锂离子迁移数（0.96）和较高的电化学稳定窗（4.7 V）。以LFP为正极组装的锂金属电池展现出优异的倍率性能和循环稳定性。200个循环后其比容量高达142 mAh g^-1。

图4. 软包电池、SEI层的XPS分析及表面形貌

进一步以该单离子凝胶电解质制备的软包电池，在室温条件下能够点亮LED。将软包电池折叠、铺平后LED蓝灯亮度保持不变，显示出良好的稳定性，如图4所示。同时，利用XPS对形成的SEI层进行表面元素分析，其结果表明形成了以LiF为主要成分的SEI层。分别利用该凝胶电解质和Celgard隔膜制备Li||Cu电池用于锂离子沉积。使用单离子凝胶电解质的铜箔表面上呈现出较为平整的表面形貌。相比之下，使用Celgard 膜沉积的铜箔表面非常粗糙，均匀性差。

相关论文发表在期刊ACS Materials Letters上，南京大学博士研究生马文灿为第一作者，张秋红副教授，贾叙东教授为通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金和中央高校科研业务费的支持。

通讯作者信息：

贾叙东教授

1989和1992年分别获南京大学化学化工学院化学专业学士和高分子化学与物理硕士学位，1996年获南京大学化学化工学院高分子化学与物理博士学位。1999-2000年在德国Tuebingen大学访问进修，2001年在美国Georgia大学访问进修。2007年起任南京大学化学化工学院教授，研究方向为多相高分子、有机-无机杂化材料及高性能热固性树脂材料。2005 年被评为江苏省优秀科技工作者，第九届“挑战杯”飞利浦全国大学生课外学术科技作品竞赛（一等奖）优秀指导教师，2013年被评为江苏省333工程中青年科技带头人。现担任江苏省复合材料学会副理事长，江苏省化学化工学会副秘书长。2017年江苏省教学成果奖特等奖（第一完成人），2018年获国家级教学成果一等奖（第一完成人）。

张秋红副教授

2003年-2007年毕业于南京大学化学化工学院化学专业，2012年获得化学化工学院高分子化学与物理专业博士学位， 2017年斯坦福大学访问学者，2019年任南京大学化学化工学院副教授。

主要研究方向为智能高分子弹性体，柔性电子界面以及单离子聚合物电解质。目前以第一作者、通讯作者在 Advanced Materials, Advanced Functional Materials, JACS, Macromolecules，ACS Materials Letters 等杂志发表数十篇论文。

个人主页：https://chem.nju.edu.cn/zqh/list.htm

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