五邑大学CEJ：动态亚胺键交联的室温快速自修复聚合物电解质- 大数跨境

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五邑大学CEJ：动态亚胺键交联的室温快速自修复聚合物电解质

科学材料站

2021-07-27

导读：该文章报道了一种基于高可逆亚胺键的自修复聚合物电解质PBPE。

文章信息

动态亚胺键交联的室温快速自修复聚合物电解质

第一作者：邓魁荣

通讯作者：邓魁荣，孟跃中

单位：五邑大学，中山大学

研究背景

锂离子电池近年来在电子产品和电动汽车中得到了广泛的应用。锂离子电池通常使用液体电解质，传统的液体电解质由锂盐和碳酸酯溶剂组成，它具有高挥发性和高可燃性，在锂离子电池热失控时会起火燃烧甚至爆炸。

开发更安全的固体电解质来替代传统的易燃液体电解质能从本质上提高锂离子电池的安全性。固体电解质中聚合物电解质具有柔韧性好、密度低、安全性高、可加工性好等优点。然而，全固态聚合物电解质的室温离子电导率(RT)普遍比较低(10−7–10−5 S cm−1)。提高聚合物电解质的离子电导率的主要方法是降低玻璃化转变温度，降低聚合物的结晶度，提高链段运动能力，加快锂离子的传导。

聚合物电解质的结晶度和玻璃化转变温度降低之后，其机械强度将随之大大降低，导致聚合物电解质的结构在电池的组装和运行过程中容易受外力破坏。因此，发展同时具有高离子导电率和室温快速自修复的聚合物电解质对于提高锂离子电池的安全性和可靠性至关重要。

文章简介

基于此，五邑大学的青年教师邓魁荣与中山大学的孟跃中教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A high ion-conducting, self-healing and nonflammable polymer electrolyte with dynamic imine bonds for dendrite-free lithium metal batteries”的文章。

该文章报道了一种基于高可逆亚胺键的自修复聚合物电解质PBPE。PBPE由聚氧乙烯二胺和均苯三甲醛通过席夫碱反应制备，形成的亚胺键是高度可逆的，能够进行快速的键交换。亚胺键的可逆断裂和重组使得PBPE具有良好的自修复性能，PBPE可在室温下1 小时内自修复切割损伤，自修复之后的PBPE具有与原始PBPE相近的离子电导率和力学性能。

PBPE的离子电导率达到了4.79 mS cm−1（30 ℃），同时表现出良好的柔性和阻燃燃烧性质。用PBPE组装的磷酸铁锂电池表现出优异的倍率性能(5 C倍率下的比容量为118.2 mAh g−1)和良好的循环性能(125次循环容量保持率为97.8%)。自修复后的PBPE能够使磷酸铁锂电池保持与原始PBPE相同的循环性能。

图1 (a) PBPE的合成；(b) PBPE自修复机理及亚胺键的键交换反应示意图

本文要点

要点一：高离子电导率和良好的自修复性能

图2 (a)不同温度下原始PBPE和自修复之后的PBPE离子电导率。(b)原始PBPE和自修复之PBPE的离子电导率阿仑尼乌斯拟合

原始PBPE的离子电导率在30 ℃达到了4.79 mS cm^−1，自修复之后PBPE的离子电导率为4.60 mS cm^−1。自修复之后的PBPE的离子电导率与原始PBPE的离子电导率相近，证明PBPE中的离子传导通道可以在自修复过程中恢复。

图3（a）室温下PBPE的自修复过程; 自修复之后的PBPE可以保持100克的重量。（b）原始PBPE和自修复之后的PBPE的应力-应变曲线

用刀将PBPE切成两段，分别用红色和绿色染料染色，两个分离的部分被连接起来进行自我修复。1 小时后切口完全消失，PBPE完全自修复。此外，自修复之后的PBPE可以承受100 g的砝码。通过与原始PBPE的抗拉强度(TS)比值计算其自修复效率。

结果表明，PBPE具有良好的拉伸性能，伸长率大于2442%，表明PBPE的交联网络可以通过快速的键交换来进行快速断裂和重组。在60断下，PBPE在30 min内自修复效率可达100%。

要点二：有效抑制锂枝晶

图4 (a) 0.5 mA cm−1电流密度下的锂沉积/剥离测试；(b) Li|PBPE|Li对称电池循环后锂片表面SEM图；(c) Li|LE|Li对称电池循环后锂片表面SEM图

锂沉积/剥离测试中，Li|PBPE|Li对称电池在0.5 mA cm^−1电流密度下在1000 h内保持低而稳定的电压，测试后锂片的表面光滑且致密，表明PBPE与锂金属负极具有良好的相容性，能够有效抑制锂枝晶的生长。XPS结果表明PBPE能够在锂金属负极表面形成富含LiF的SEI膜。

要点三：良好的电池性能

LFP|original PBPE|Li电池表现出良好的倍率性能，在5 C充放电倍率下放电比容量为118.2 mAh g^−1。在1 C充放电倍率下循环了125圈之后放电比容量为139.3 mAh g^−1，容量保持率为97.8%。

LFP/healed PBPE/Li电池的初始放电比容量为142.2 mAh g^−1，与LFP/original PBPE/Li电池的初始放电容量基本相同，循环80次后放电容量为139.0 mAh g^−1 (容量保留率为97.7%)。这些结果表明，自修复后的PBPE能够完全恢复其在电池中的性能，显著提高电池的可靠性和安全性。

文章链接

A high ion-conducting, self-healing and nonflammable polymer electrolyte with dynamic imine bonds for dendrite-free lithium metal batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721028059

作者介绍

邓魁荣，五邑大学应用物理与材料学院青年教师。

主要研究方向是锂电池、锂硫电池，重点从事锂电池聚合物电解质的研究，在Energy Storage Mater.、Small、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Power Sources等期刊发表论文十余篇。2019年于中山大学材料科学与工程学院获得博士学位，师从孟跃中教授。2019年加入五邑大学应用物理与材料学院。

孟跃中教授。

1998年入选中科院“百人计划”和“海外杰出人才”。现任广东省“珠江学者”特聘教授,中山大学材料学院、化学学院和化工学院多聘的二级教授；广东省低碳化学与过程节能重点实验室主任。

孟跃中教授曾获得国家“八五”科技攻关重大成果奖，中国“发明创业奖”特等奖及“当代发明家”荣誉称号，第十八届中国专利优秀奖，中国商业联合会科学技术一等奖，国家教育部科技进步二等奖，国家环境保护科学技术三等奖，广东省环境保护科学技术一等奖，以及辽宁省科技发明一等奖。发表了382篇SCI收录论文，其中影响因子大于10的有32篇,大于5.0的有117篇。另有115件国家发明专利和 6 项美国发明专利。2014年至2019年连续6年入选中国高被引学者, H-index = 60。