Adv. Mater. 熱塑性彈性體智能溫敏電解質 助力電化學儲能器件過熱保護
【成果簡介】
鋰離子電池和超級電容器等電化學儲能器件的能量密度、功率密度和循環壽命近20年來已經獲得顯著提高，但是，其安全性問題尚未得到有效解決。在快速充放電和短路、過充等不當使用的情況下，電化學儲能器件由于功率和電流密度高，迅速產生大量的熱，器件內部溫度和壓強快速升高，存在著火甚至爆炸的危險。安全性問題已成為制約大容量電化學儲能器件在電動汽車、儲能電站等新能源技術領域商業化應用的一大障礙。
熱失控是導致電化學儲能器件不安全行為的根本原因，因此，建立過熱保護機制，防止熱失控，是一系列高新技術領域迫切的應用需要。在電池自激發熱保護技術方面，目前常用的策略是采用正溫度系數電極材料或阻燃性電解液。前者的室溫電導率低、漏電流大，應用受到限制；后者由于阻燃劑的大量添加，電解液的離子電導率低，電池的電化學性能差。
美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授課題組，將一種具有可逆溶膠-凝膠轉變的熱塑性彈性體引入電解液中，進而研發出能夠實現電池自激發熱保護的智能溫敏電解質。實驗中采用溶解有H+或者Li+的普朗尼克（Pluronic）水溶液作電解質，低溫下，該電解質保持溶膠態，離子能在電極間自由移動；當溫度升高時，該電解質變為凝膠態，阻礙離子的移動，進而中斷儲能器件的電化學過程，實現對器件的有效過熱保護。
【圖文簡介】
圖一 基于具有可逆溶膠-凝膠轉變的熱塑性彈性體的電解質
圖(a) 基于溫敏凝膠體系的電解質示意圖；
圖(b) 30wt%的Pluronic溶液在不同溫度下的流變行為，圖中G’表示儲能模量，G’’表示損耗模量；
圖(c) 溶膠態和凝膠態的Pluronic溶液實物圖。
圖二 以P5800作電解質的超級電容在不同溫度下的電化學性能
圖(a) 不同濃度的分子量為5800道爾頓的Pluronic溶液(P5800)，在不同溫度下的G’值；
圖(b) 20wt%的P5800在不同溫度下的G’值、G’’值；
圖(c)-圖(f)展示了20wt%的P5800和H2SO4溶液作電解質的扣式超級電容的電化學性能：其中圖(c)是20℃下的CV曲線，圖(d)是70℃下的CV曲線，圖(e)展示了在室溫（RT，20℃）和高溫（HT，70℃）狀態下的充放電測試結果，圖(f)則是在室溫和高溫下的阻抗譜。
圖三 以不同分子量的Pluronic溶液作電解質的超級電容的電化學性能
圖(a) 不同分子量的Pluronic溶液的溶膠-凝膠轉變溫度，溶液濃度均為30wt%；
圖(b) 不同溫度下P4400的流變試驗結果；
圖(c)(d)展示以P2800為電解質的超級電容在不同掃速下的CV測試結果，其中圖(c)的測試溫度為20℃，圖(d)的測試溫度為70℃；
圖(e)(f)展示以P4400為電解質的超級電容在不同掃速下的CV測試結果，其中圖(e)的測試溫度為20℃，圖(f)的測試溫度為60℃。
圖四 以Pluronic溶液作電解質的超級電容的比容量和過熱保護機制
圖(a)(b)展示了以Pluronic溶液作電解質的超級電容，采用不同電極材料和導電離子，在溶膠態和凝膠態下的比容量，其中圖(a)的電解液采用P2800，圖(b)的電解液采用P4400；
圖(c)(d)展示了以Pluronic溶液作電解質的超級電容的過熱保護機制：加熱到70℃時，LED燈的亮度顯著降低，足以說明高溫下電化學過程基本被中斷。
圖五 Pluronic溶液的流變性能和電化學參數
圖(a) 濃度為30wt%的P2800在不同溫度下的流變性試驗；
圖(b) 以30wt%的P2800作電解液的超級電容在不同溫度下的CV曲線；
圖(c)(d)展示了以30wt%的P2800作電解液的超級電容的循環測試結果，其中圖(c)采用聚吡咯（PPy）作電極材料，圖(d)采用活性炭（AC）作電極材料；
圖(e)顯示的是采用不同平均分子量的聚合物和不同導電離子的Pluronic電解液，在溶膠狀態和凝膠狀態下的離子電導率。
【小結】
余桂華課題組研發出一種智能溫敏電解質體系，能夠實現電化學儲能器件的自激發熱保護。他們采用了加熱時會迅速發生溶膠-凝膠轉變的熱塑性彈性體，即商業化的Pluronic。高溫下，Pluronic電解質的凝膠化，嚴重阻礙離子遷移，進而中斷電化學過程，實現了對儲能器件的有效過熱保護。這一設計具有響應快速、效果顯著、可逆程度高、溫度閾值可調整、成本低廉等優點，可以直接應用于水溶液電解質的電池或者超級電容器。
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