来源:Nano Research Energy 发布时间:2023/3/4 9:16:36
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华北电力大学李美成教授课题组:一文详解聚合物电解质离子传导机制与提升之道!

2023年2月17日,华北电力大学李美成教授课题组在清华大学主办的高起点新刊Nano Research Energy 上发表了题为“Solid Polymer Electrolytes: Ion Conduction Mechanisms and Enhancement Strategies”的综述文章,全面介绍了聚合物电解质的结构特征和离子迁移特性,并进一步揭示了离子传导机制。

图1. 提升聚合物电解质离子传导的改性策略

聚合物电解质拥有柔性高、与电极材料的界面阻抗低成膜性好成本低廉等优点,但较低的离子电导率严重阻碍了其在固态电池领域的应用。为了改善聚合物电解质的离子传导能力,研究人员探索了一系列的改性策略。

本文中,详细分析了聚合物电解质的微观结构离子迁移行为,将离子电导率的提高归因于载流子浓度迁移率的增加,以及快离子传输通道的构建。与此同时,总结了最新的聚合物电解质离子电导率的改性策略,从共聚物结构的设计、新型锂盐的开发,到添加剂工程、电解质形貌的调控进行了系统的梳理。

对于共聚物结构设计,嵌段、星形、接枝共聚物往往会存在力学强度退化的问题,交联网络共聚物结构可以兼顾离子电导率和力学性能。设计开发阴离子半径大、正负离子相互作用较弱的锂盐,或者组合具有不同结构、电学、热学、电化学性能的锂盐可显著提高聚合物电解质的整体性能。

除从聚合物电解质自身修饰角度考虑,还可以通过添加有机小分子、聚合物分子、微/纳米颗粒促进聚合物链段的移动,增加载流子的浓度,形成快离子传输路径,从而有效提高离子电导率:

•有机小分子借助极性官能团、阴离子与锂离子的相互作用,极大的降低离子移动的活化能,但需特别注意制备电解质的整体热稳定性、力学强度、电极接触稳定性等问题;

•共混两种或多种兼容性较好的聚合物,可有效解决聚合物电解质的结晶问题;

•纳米填料的加入,可在纳米填料/聚合物界面处形成快离子通道,有效促进锂离子的传输,但需充分考虑颗粒尺寸、化学组分、表面官能团等因素对聚合物基体、锂盐的相互作用。

以上修饰策略都有各自的优、缺点,基于协同效应,可有效组合两种或多种改性策略来提高聚合物电解质的离子电导率。

值得注意的是,微观结构特征(孔隙和厚度)在聚合物电解质离子传导中也发挥重要作用。近年来,一些研究已证实在孔隙表面甚至是聚合物/聚合物界面处存在快速离子传输行为。有效调整多孔隙结构既保证聚合物电解质的力学强度,同时兼顾与电极材料的良好接触性,对提高聚合物电解质的离子电导率至关重要。

减小聚合物电解质薄膜的厚度,可以提升电解质整体的离子传导能力、提高电池的整体能量密度。探寻新型聚合物电解质薄膜制备方法,充分考虑电解质薄膜的力学性能、电解质与电极材料的接触问题、电解质孔隙基底与聚合物基体/锂盐的相互作用,使得有机电解质在高安全性、高能量密度的固态电池中得到切实应用。

论文信息:

Zhang D, Meng X, Hou W, et al. Solid polymer electrolytes: Ion conduction mechanisms and enhancement strategies. Nano Research Energy, 2023, https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120050

doi:10.26599/NRE.2023.9120050

Nano Research Energy 是Nano Research姊妹刊,(ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月创刊,由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉,全英文开放获取期刊,聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用,对标国际顶级能源期刊,致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文,已入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊项目。2025年之前免收APC费用,欢迎各位老师踊跃投稿。

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