Nature Communications：離子電導率和力學性能兼顧的超分子鋰離子導體

kv1004 4年前 (2019-12-15) 6660瀏覽

【引言】

聚合物電解質可以有效提高鋰離子電池安全性，同時保持低成本和易加工的特點。降低聚合物電解質的玻璃化溫度(Tg)有利于提高其離子電導率，但對其機械強度不利。因此，開發兼具良好的機械強度和離子電導率的聚合物電解質是一項挑戰。為了解決離子電導率和力學性能不兼容難題，研究人員采用了多種聚合物設計策略。例如聚苯乙烯-聚乙二醇共聚物體系中聚苯乙烯段提供機械強度，聚乙二醇段提供離子電導率。其它策略包括納米尺度的相分離、和納米顆粒交聯等等。然而，這些策略雖然提升了聚合物電解質的機械強度，但大都缺乏柔韌性，不適用于制備柔性、可拉伸電池的要求。

【成果簡介】

近日，斯坦福大學鮑哲南教授、崔屹教授和上海交大顏徐州研究員（共同通訊作者）等人報道了實現聚合物電解質的離子電導率和機械性能分離的有效方法。他們設計了離子電導率和機械性能分別由低Tg的聚醚結構和動態鍵合的2-脲-4-嘧啶酮 (UPy)結構單元提供的超分子鋰離子導體(SLIC)，并獲得了具有優異的韌性（29.3 MJ/m3）和高離子電導率（室溫離子電導率為1.2×10-4?S/cm）的聚合物電解質。他們還用UPy單元摩爾比率低至20%的SLIC材料作為粘接劑，通過傳統的漿料工藝制備了應變能力高達100%的可拉伸電極。而且，他們將SLIC電解質和SLIC電極結合起來，通過界面間UPy的氫鍵作用，有效解決了電池組分在界面難以良好結合等問題，使鋰離子電池在分子水平上可拉伸。利用SLIC可伸縮材料構建的電池容量達到1.1 mAh cm-2，甚至在70%的應變條件也能維持正常工作。上述成果以“Decoupling of mechanical properties and ionic conductivity in supramolecular lithium ion conductors”為題發表在國際期刊Nat. Commun.上。

【圖文導讀】

圖1.SLIC 示意圖

a.SLIC的結構、?從SLIC-0到SLIC-3的組成和分子量

b.SLIC的工作原理

圖2.SLIC的表征

a.拉伸速率為100 mm min?1時從SLIC-0到SLIC-3的應力-應變曲線

b.拉伸速率為30 mm min?1時SLIC-3的拉伸循環曲線

c.從SLIC-0到SLIC-3的小角度X射線散射圖

d.從SLIC-0到SLIC-3的時間-溫度疊加流變曲線

e.從SLIC-0到SLIC-3的DSC曲線

圖3.聚合物電解質SLIC的表征

a.SLIC的離子電導率與UPy含量的關系

b.SLIC的離子電導率與Tg的歸一化溫度的關系

c.從SLIC-0到SLIC-3的7Li NMR曲線

d.含與不含質量分數為2%的SiO2的DEGDME質量分數為20%的SLIC-3的應力-應變曲線

e.SLIC的歸一化離子電導率與應變的關系

f.SLIC的韌性與離子導電率和其它電解質的對比

 

圖4.用SLIC制備可拉伸電極

a.SLIC-1、SLIC-3、PVDF和PEO分別作為粘接劑制成的電極的應力-應變曲線

b.SLIC電解質和不同電極之間的粘接能

c.SLIC電解質和SLIC電極之間界面的動態UPy鍵的形成

d.SLIC-3電解質和 SLIC-1電極之間界面的掃描電鏡（SEM）圖像

圖5.基于 SLIC的可拉伸電池

a.基于 SLIC的可變形電池的照片

b.電池的結構

c.LFP||SLIC-3||LTO全電池的倍率性能

d.全電池的充放電循環曲線

e.全電池在未被拉伸和應變為70%的條件下的性能

f.全電池在未被拉伸、應變為70%、被折疊和恢復原樣的條件下都能點亮LED

【小結】

總之，SLIC能用于制備可拉伸鋰離子電池的高性能、離子導電的材料。他們用SLIC的動態交聯網絡來分離離子導電性和機械性能，制備了韌性空前高的聚合物電解質。而且，SLIC還可用作可拉伸電極的粘接劑及集流體材料。SLIC體系為制備可拉伸電子器件所需的柔性可拉伸電池提供了一種全新的可能。

文獻鏈接：Decoupling of mechanical properties and ionic conductivity in supramolecular lithium ion conductors（Nat. Commun.，2019，DOI:10.1038/s41467-019-13362-4）

本文由kv1004供稿

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