南开大学牛志强课题组Angew：智能锌离子电池的热门控聚合物电解质- 大数跨境

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南开大学牛志强课题组Angew：智能锌离子电池的热门控聚合物电解质

科学材料站

2020-06-25

导读：本文基于热门控聚（N-异丙基丙烯酰胺）（水凝胶电解质的智能隔膜被开发用于可充电锌离子电池（ZIBs）。这类PNIPAM基分离器不仅具有开闭状态的孔结构演化，而且在温度升高时表现出从亲水到疏水的表面润湿

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导读

智能自保护是避免储能装置安全问题的关键。然而，传统的基于溶胶-凝胶过渡电解质的自恢复策略往往存在不稳定的问题。基于以上现状，南开大学牛志强研究员等在国际知名期刊Angew. Chem.上发表题为“Thermal-Gated Polymer Electrolytes for Smart Zinc-Ion Batteries”的论文。Jiacai Zhu为本文第一作者。

图1. 图片概要

在本文，基于热门控聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝胶电解质的智能隔膜被开发用于可充电锌离子电池（ZIBs）。这类PNIPAM基分离器不仅具有开闭状态的孔结构演化，而且在温度升高时表现出从亲水到疏水的表面润湿性转变。这可以抑制电解质离子在分离器中的迁移，实现ZIBs在高温下的自我保护。此外，由于温度依赖的结构演变和亲水/疏水转变的可逆性，即使在多次加热/冷却循环后，热门控行为也高度可逆。这项工作将为设计安全可控的热响应储能装置铺平道路。

背景简介

1.可充电锌离子电池研究方向

可充电锌离子电池（ZIBs）以其成本低、理论容量高（820mah g-1）等优点而备受关注。然而，在其超快充放电过程中，ZIBs往往会产生大量的热量，并迅速达到极高的温度，它们将遭受严重的热失控，导致电化学性能的不可逆退化，甚至发生爆炸。因此，必须开发具有可逆热响应能力的ZIBs的自我保护。近年来，热响应sol-gel过渡电解质被开发用来制备具有可逆热响应能力的ZIBs认识到储能装置的热响应能力。然而，这些溶胶-凝胶过渡电解质由于响应时间短、恢复周期长，其自恢复性能往往不稳定，限制了其在储能装置中的实际应用。因此，为了设计具有高可逆热响应能力的水性ZIBs，需要进一步发展一种新的设计策略。

核心内容

总的来说，ZIBs的隔板具有多孔结构，保证了导电离子的迁移，对ZIBs的电化学性能起着重要的作用。因此，设计具有热响应多孔结构的隔板将是控制导电离子迁移的一种很有前途的策略，以达到ZIBs在高温下的自我保护。

聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶是一类具有多孔网络的热响应性聚合物，当温度超过其体积相变温度（VPTT）时，由于PNIPAM链中分子内氢键的形成而收缩，受此启发，作者制备了基于PNIPAM的水凝胶，对ZIBs的分离器进行了改性。这种基于PNIPAM水凝胶层的多孔结构受温度控制良好，在高温下几乎消失，伴随着表面润湿性从亲水性转变为疏水性。这将抑制电解液离子在电极之间的迁移，实现高温下ZIBs的自我保护。

图二.

The VPTT regulation of PNIPAM-based copolymers. The characterizations of the PNIPAM/AM-based hydrogels with different mA/N:

a) FTIR spectra,

b) shrinkage ratio at different temperatures, and c) the VPTT. The SEM images of PNIPAM/AM-5@GF separators at different temperatures:

d) 25 °C,

e) 60 °C, and

f) after cooling to 25 °C.

文章链接:

Thermal‐Gated Polymer Electrolytes for Smart Zinc‐Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202007274

导师简介:

牛志强研究员

南开大学化学学院特聘研究员，博士研究生导师，南开大学"百名青年学科带头人"；2010年毕业于中国科学院物理研究所（导师：解思深院士，周维亚研究员），2010年-2014年在新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院从事博士后研究，2014年通过南开大学"人才特区"入职南开大学化学学院，加入天津化学化工协同创新中心"微纳结构与高能化学电源"团队、先进能源材料化学教育部重点实验室；在碳纳米材料的可控组装、功能化及新型储能器件的设计组装方面取得了一系列创新性研究成果，受到国内外同行广泛关注；近年来，在Advanced Materials, Energy & Environmental Science，Advanced Functional Material, Small等国际期刊发表论文近40篇，总引用次数700多次，H-index为13；申请多项美国及中国专利，以第一作者参与编写多部英文著作章节；其部分研究成果被Advanced Materials等期刊编辑部选作封面和热点文章进行推荐，并被中国科学报、Chemistry World、Nanowerk、Material Views China等国内外知名媒体网站作为研究亮点进行报道或转载。