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课题组在国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》发表论文

责编: | 发布日期:2018-01-11| 阅读次数:

2018年1月5日,《Advanced Energy Materials》在线刊登了北京化工大学材料学院隋刚教授、杨小平教授的最新研究成果“同时具有抑制锂枝晶和捕捉锰离子双重功能的生物基复合凝胶电解质”(A Biobased Composite Gel Polymer Electrolyte with Functions of Lithium Dendrites Suppressing and Manganese Ions Trapping), 论文的第一作者为北京化工大学2016级博士生朱明,通讯作者为隋刚教授,共同通讯作者为杨小平教授。

图一 生物基凝胶电解质抑制锂枝晶生长示意图

 

随着动力汽车和电子消费产品的日益发展,人们对于锂电池的安全及性能提出更高的要求。作为锂电池不可缺少组成部分的电解质也得到了快速的发展和完善,这其中包括聚合物电解质,它代替原有的电解液和隔膜来确保锂离子电池的结构更加完善和使用更加安全。与液态锂离子电池相比,聚合物锂离子电池一定程度地避免了液体电解质电池的漏液问题,电池的电容量高,并可制成大面积的超薄薄膜,保证与电极之间充分接触,便于电子产品的向小型化、轻量化和薄膜化的方向发展。聚合物电解质包括固体聚合物电解质和凝胶聚合物电解质。相比于固态电解质,凝胶电解质由于其具有优异的离子电导率和良好的界面相容性而被广泛研究。

图二 生物基凝胶电解质图、微观形貌及部分性能表征

 

北京化工大学材料学院隋刚教授近年来在凝胶聚合物电解质领域取得一系列研究进展。基于静电纺丝技术对传统的聚合物骨架材料进行优化设计,制备得到PAN/PMMA核壳结构的凝胶电解质骨架材料,实现了传统聚合物骨架材料自身的优势互补(Journal of Power Sources, 2014, 267, 309-315)。基于PAN纳米纤维的优异力学性能和PEO纳米纤维良好的界面相容性,得到了PAN/PEO核壳结构的凝胶电解质骨架材料,采用辐射交联可进一步提高凝胶电解质的电化学稳定性和力学性能(Journal of Membrane Science, 2015, 492, 77-87)。近年来,随着人们对环境保护的日益重视,电解质材料也应顺应绿色环保的发展潮流。隋刚教授课题组开发出具有柔性链特征的聚乳酸和具有刚性链特征的醋酸纤维素复合的刚柔并济的可降解凝胶电解质,同时首次将具有一维管状结构、来源广泛的埃洛石纳米管复合到电解质中,拓展了锂离子的传输通路(Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4, 12136-12143)。大豆是产量非常丰富的农产品,在探索大豆蛋白基纳米纤维膜制备技术的基础上,以此为骨架材料得到的凝胶电解质具有优异的电化学性能(ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2016, 4, 4498-4505)。

图三 生物基凝胶电解质结构及部分表征

 

以高理论比容量的锂金属为负极,以高压过渡金属氧化物为正极的锂电池是具有很高的能量密度。然而,锂金属负极枝晶的形成、正极过渡金属氧化物的溶解和溶解后的金属离子的迁移,阻碍了这些电极材料在高性能的锂电池中高效应用。为此,隋刚教授课题组在研究工作中制备了一种新颖的、功能性生物基的凝胶聚合物电解质去同时解决以上两个关键的技术问题。这种凝胶电解质的骨架材料包含两层环境友好型大豆蛋白基纳米纤维膜,中间夹有多孔的聚多巴胺微球形成三明治结构,表面再覆盖碳化的多孔聚多巴胺微球。在制备这个复合膜的过程中,没有应用任何有毒有害的试剂,也不需要使用粘合剂。由于聚多巴胺和蛋白基纳米纤维存在大量的极性官能团,因此复合膜展现了对电解液优异的亲和力。同时,这些极性基团与正极以及逃脱的金属锰离子产生相互作用,有效的减缓了锰酸锂正极的锰溶解并可对少量溶解的锰离子进行有效捕捉。此外,多孔聚多巴胺碳球具有导电性、高比表面积和氮掺杂的亲锂性等特性,促使了锂离子均匀地沉积在负极表面,从而抑制了锂枝晶的生长。研究结果显示,采用该电解质替代商业隔膜组装成锰酸锂/锂金属电池,它的循环和倍率性能均会得到大幅度的提升。这项工作为高效安全的下一代锂电池的多功能电解质材料的设计和开发提供了新的技术思路,有着广泛的应用前景。

图四 生物基凝胶电解质抑制锂枝晶以及吸附锰离子原理图

 

该工作得到了国家自然科学基金(U1664251,U1362205)和中央高校基本科研业务费的支持。