齐鲁工业大学刘利彬《先进功能材料》高电导率

作者：张馨予

原创齐鲁工业大学刘利彬《先进功能材料》高电导率-40°C抗冻两性水凝胶超级电容器

2021-01-26 22:30 来源: 高分子材料科学

原标题：齐鲁工业大学刘利彬《先进功能材料》高电导率-40°C抗冻两性水凝胶超级电容器

【科学背景】

随着对全球能源需求的增长，对高效储能设备的发展提出了很高的要求。超级电容器（SC）作为一种新型的能量存储设备，因其快速的充电和放电时间以及较长的使用寿命而备受关注。包括液体电解质和固体电解质的电解质是SC必不可少的部分。与液体电解质相比，固体电解质的低电导率是储能装置高性能的主要缺点。由于聚合物水凝胶电解质在室温下可实现高达0.28 S cm-1的电导率，因此，通过使用聚合物水凝胶电解质，它已逐渐成为高性能固体SC研究的热点。但是，聚合物水凝胶电解质的电导率在0°C下将大大降低，因为水凝胶网络中的大量水将不可避免地在低于零温度下冻结。对极低的零下温度环境的耐受性差，限制了水凝胶固体SC的应用。

【科研摘要】

水凝胶电解质具有较高的室温电导率，可广泛用于储能设备中。但是，水凝胶在零度以下的温度下不可避免地会冻结水，从而导致其电导率和机械性能下降。如何在不降低零以下温度下水凝胶的柔韧性的情况下实现高电导率是一个重要的挑战。为了解决这一挑战，山东齐鲁工业大学刘利彬教授团队制造了一种新型的两性离子聚合物水凝胶（polySH）电解质。聚合物链上的阴离子和阳离子抗衡离子促进LiCl的解离。相关论文Antifreezing Zwitterionic Hydrogel Electrolyte with High Conductivity of 12.6 mS cm−1 at −40 °C through Hydrated Lithium Ion Hopping Migration发表在《Advanced Functional Materials》上。防冻电解质在-40°C时可拉伸至325％的应变，并压缩至75％，在-40°C时具有12.6 mS cm-1的出色电导率。提出了水合锂离子通过两性离子基团的直接跳跃迁移机制。基于polySH电解质的超级电容器（SC）在60°C时表现出178 mF cm-2的高比电容，在−30°C时表现出134 mF cm-2的高比电容，分别为10000个循环保留了初始电容的81％和71％。电解质的整体优点将为实际应用中的高级离子导体和储能装置开辟新途径。

齐鲁工业大学刘利彬《先进功能材料》高电导率

【图文解析】

在LiCl盐的存在下，两性离子单体（SBMA）和丙烯酸2-羟乙基酯（HEA）的无规共聚设计和制造了一种新型的防冻聚合物（polySH）水凝胶电解质（图1a）。两性离子链上的阴离子和阳离子抗衡离子促进了金属锂盐的离解，如密度泛函理论（DFT）计算所证明的（图1b）。盐浓度显着影响电解质的电导率和防冻性能。进一步提出了水合锂离子通过两性离子基团的直接跳跃迁移机制（图1c，e）。

齐鲁工业大学刘利彬《先进功能材料》高电导率

图1 a）防冻的聚SH水凝胶及其网络结构示意图。b）DFT计算polySH电解质中不同成分之间的相互作用。c）聚SH和聚HEA电解质中盐离子的MSD。d）不含盐的polySH水凝胶中的阴离子和阳离子基团之间的静电相互作用示意图，以及e）在polySH电解质中建议的Li +迁移机理，其中水合的Li +跳跃通过SO3-位。

2.1防冻两性离子电解质的设计与制造

为了提高聚合物水凝胶电解质的抗冻性能和低温电导率，设计了两性离子单体SBMA和含氧单体HEA来制备两性离子水凝胶电解质（图1a）。同时存在于SBMA上的阴离子和阳离子基团被视为与Li+和Cl-结合的位点，有利于锂盐的解离。为了确认这一假设，对系统进行了DFT计算。图1b显示了使用LiCl盐的SBMA片段的最佳构型。在添加锂盐之前，SBMA上的阴离子和阳离子会由于静电相互作用而与其他SBMA（ESBMA–SBMA：−4.025 Kcal mol-1）上的阳离子和阴离子发生相互作用，从而形成内盐并维持系统的中性（图1b，d）。因此，Li离子的迁移也应与Li+（H2O）n水合结构有关（图1e），这也有助于polySH电解质的抗冻性能，如拉曼，差示扫描量热法（DSC）和分子模拟所证实（图2和3）。

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