清华大学王佳平教授团队AS：通过限制羟基从而提高聚乙二醇基聚合物电解质的氧化电位以及聚合物电解质电化学窗口的改进测量方法- 大数跨境

首页

清华大学王佳平教授团队AS：通过限制羟基从而提高聚乙二醇基聚合物电解质的氧化电位以及聚合物电解质电化学窗口的改进测量方法

科学材料站

2021-06-21

导读：该文章成功制备了一种具有交联结构的柔性PEG基聚合物骨架。

文章信息

通过限制羟基从而提高聚乙二醇基聚合物电解质的氧化电位及聚合物电解质电化学窗口的改进测量方法

第一作者：方振翰

通讯作者：王佳平*

单位：清华大学，计算物理和应用数学研究所

研究背景

随着信息终端从大型机逐渐向可穿戴电子产品发展，电子器件面临着小型化、柔性化的挑战。与其他成熟的储能器件相比，锂离子电池（LIBs）具有更高的工作电压和能量密度，受到研究者的青睐，被认为是理想的柔性储能器件。

因此柔性LIBs在传统LIBs的基础上应运而生，以满足人们对高能量密度和高灵活性的更高要求。柔性聚合物电池是构筑柔性LIB的关键材料。然而聚合物电解质例如聚乙二醇基材料（PEG/PEO）的低离子电导率和差的氧化稳定性成为限制其应用的主要挑战。

文章简介

基于此，来自清华大学物理系的王佳平教授团队，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Boosting the Oxidative Potential of Polyethylene Glycol-Based Polymer Electrolyte to 4.36 V by Spatially Restricting Hydroxyl Groups for High-Voltage Flexible Lithium-Ion Battery Applications”的研究文章。

该文章成功制备了一种具有交联结构的柔性PEG基聚合物骨架。并以该骨架溶胀电解液后获得了离子电导率和锂离子迁移数与液态电解液相当的凝胶电解质。

此外，通过将PEG基材料中氧化不稳定来源的羟基在空间中限制在聚合物骨架上，降低了其运动的自由度，从而降低反应活性，提升氧化稳定性。

另外，针对聚合物电解质在常规线性扫描伏安法（LSV）测试中无法测试氧化峰的情况，提出了更适用一种准静态LSV（QS-LSV）的测试方法。研究所提出的用于高压电池的聚合物电解质结构设计原则和电化学窗口的测量方法，对柔性锂离子电池聚合物电解质的选择和设计具有重要的指导意义。

图1. 通过限制羟基从而提高聚乙二醇基聚合物电解质的氧化电位及聚合物电解质电化学窗口的改进测量方法

本文要点

要点一：通过空间限制羟基实现氧化稳定性提升的交联型PEG基柔性聚合物

PEG基聚合物（如聚环氧乙烷，PEO）在4V vs. Li+/Li以上时极易失去电子被氧化，最近的研究表明PEG氧化稳定性差的主要原因是链端的-OH基团。

本文提出一种策略，通过限制PEG基材料中的羟基的运动，来降低其反应活性，从而达到提升氧化稳定性的目的。

要点二：适用于高电压LCO||Li电池的凝胶电解质

通过在液体电解质中溶胀c-PEGR聚合物骨架，研究人员得到了与液体电解质相当的离子电导率和锂离子迁移数的凝胶电解质。并且由于空间限制的羟基，大大降低了其反应活性。在阴极和阳极界面均表现出更稳定的性能。

结果显示，采用c-PEGR凝胶电解质的LCO||Li电池在高达4.35 V的截止电压下表现出令人印象深刻的循环性能。

要点三：一种适用于电子不良导体电化学窗口测试的准静态线性伏安扫描法

聚合物电解质的电化学窗口测试在本文和许多文献报道中都发现，有可能出现无法测得氧化峰的情况。本文中提出一种解释，由于聚合物电解质是电子绝缘体，因此当聚合物发生氧化反应时，失去的电子难以传递至阴极而被外电路所检测。

因此提出了一种QS-LSV的测试方法，关键在于在每个电压阶段保持一段时间，使得电子转移动力学有充足的时间发生。该方法在本文中证实是一种更适用于聚合物电解质的更准确的电化学窗口测试方法。

要点四：推广

研究所提出的用于高压电池的聚合物电解质结构设计原则和电化学窗口的测量方法，对柔性锂离子电池聚合物电解质的选择和设计具有重要的指导意义。

文章链接

Zhenhan Fang, Yufeng Luo, Haitao Liu, Zixin Hong, Hengcai Wu, Fei Zhao, Peng Liu, Qunqing Li, Shoushan Fan, Wenhui Duan, and Jiaping Wang*. Boosting the Oxidative Potential of Polyethylene Glycol-Based Polymer Electrolyte to 4.36 V by Spatially Restricting Hydroxyl Groups for High-Voltage Flexible Lithium-Ion Battery Applications, Adv. Sci. 2021,2100736

https://doi.org/10.1002/advs.202100736

通讯作者介绍

王佳平教授。

清华大学物理系长聘教授。英国剑桥大学博士，美国约翰霍普金斯大学博士后，曾任美国路易斯安那州立大学助理教授。2013 年入选教育部新世纪优秀人才支持计划。长期从事碳纳米管、锂离子电池、锂硫电池及柔性电子器件方面的研究，在Adv. Mater., Adv. Sci., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett., J. Mater. Chem. A, Small, J. Power Sources, ACS Appl. Mater. Interfaces等国际高水平期刊共发表学术论文 90 余篇，其中 10 篇入选高被引论文，2 篇入选 ESI热点论文，引用次数 3900 余次，H 指数为 32，获授权专利 20 余项。