《JMCA》：在盐水电解质中嵌入3D 锂离子通道，开发柔性超级电容器和锂离子电池学术资讯

来源：高分子科学前沿

原标题：吉林大学汤钧、张伟《JMCA》：在盐水电解质中嵌入3D 锂离子通道，开发柔性超级电容器和锂离子电池

水电解质具有良好的环境友好性和良好的离子导电性，是商用有机电解质很有前途的替代品。然而，它们的工作电压窗口很窄(1.23 V)，因此产生的能量密度不足。盐中水电解质(WiSEs)被认为是一种新的方式，可以获得良好的热稳定性和电化学稳定性，并具有广阔的发展前景(3.0 V的水电池)。在WiSEs中，高浓度的双锂(三甲基磺酰亚胺)(LiTFSI) (>20 mol kg -1)有效地使任何可用的水分子与溶解的阳离子形成溶剂鞘结构。其结果是，氢气和氧气的演化反应超出了它们的热力学势。然而，稳定的电位窗口和高离子电导率必须满足超高浓度，这既不现实也不有效，因为考虑到它们的粘度、成本和溶解度限制。此外，高粘度加上固有的液体泄漏往往会限制流量性能和安全性。在WiSEs中，高浓度的LiTFSI形成了一个多孔网络，其中纳米水渠保证了离子的传输。如果引入非本征离子通道将离子在高离子耦合方向上的运动转化为沿通道的快速输运，制备具有优异离子导电性和高速率性能的WiSE型电解质是有希望的。

吉林大学化学学院汤钧教授和材料学院张伟教授合作设计了一种新型的由聚丙烯酰胺、壳聚糖和四乙氧基硅烷直接共聚而成的聚丙烯酰胺基水凝胶电解质(PACH/SiO2)。高浓度WiSEs中的水分子与水凝胶三维网络上丰富的羟基和氨基结合形成极性电晕，自发构建Li+通道。因此，形成了一种基于PACH/SiO2的超高盐负荷WiSE (HiSE)。重要的是，强离子耦合WiSE通过三维通道转化为HiSE，水凝胶的存在将进一步降低水的比例，有效抑制不良反应的发生。HiSE为2.6 V的电化学窗口和51.3 mS cm-1的高离子电导率(WiSEs的5倍)创造了良好的环境，并具有良好的可操作性和自愈能力。相关论文发表于J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 24800–24806，并被评选为内部前封面和热点文章。

图1.柔性自愈HiSE的设计策略和特性

HiSE显示出卓越的拉伸性能，盐携带能力，热稳定性和水合能力。当浸泡浓度达到10M时，凝胶内部H2O：Li+≈3:1, 通过差示扫描量热法和拉曼对体系中的水进行标定，解释所有的水分子全部转变为结合水，并通过理论计算得出聚合物的水合能力大于离子，揭示了水分子是集合在聚合物骨架上，形成锂离子通道。

图2. 模拟的锂离子通道

利用HiSE集成的双电层电容器（EDLC）可以产生一个优秀的综合性能, 比如：高工作电压 2.2 V, 高电容的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。

图3. 基于HiSE的EDLC的电化学性能

同时，集成的AC//LiMn2O4锂离子电池（ALBs）同时也展示了HiSE的多功能性。由于电解液的电压窗口延长，电池具有清晰的插入峰和良好的速率性能展现出110.7 mA h g-1at 0.1 A g-1。特别地，新型HiSE的灵活性和自愈能力显著地促进了柔性EDLCs和ALBs的应用，集成器件表现出优异的速率性能。

图4. 基于HiSE的ALBs的电化学性能

来源：Polymer-science 高分子科学前沿

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