南京师范大学吴平副教授JMCA：互穿网络凝胶作为导电/粘结介质助力高性能硅负极- 大数跨境

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南京师范大学吴平副教授JMCA：互穿网络凝胶作为导电/粘结介质助力高性能硅负极

科学材料站

2021-04-21

导读：该文章采用同步凝胶化策略在导电聚合物凝胶中引入分子尺度相互交联的粘结聚合物凝胶，极大的提升了复合凝胶的机械性能以及与活性材料之间相互作用。

文章信息

互穿网络凝胶作为导电/粘结介质助力高性能硅负极

第一作者：夏婷婷#，许成飞#

通讯作者：吴平*

单位：南京师范大学、江苏省新型动力电池重点实验室

研究背景

在电化学储能中，活性材料需要与导电剂和粘结剂一起分散到溶剂中形成浆料、再进一步涂覆到集流体上。在传统工艺中，导电剂一般采用具有高电导率的碳纳米材料，如零维碳黑颗粒、一维碳纳米管和二维石墨烯材料，这些碳导电剂在电极中是相互游离的，不能提供持续的电子传输通道且在连续充放电过程中易与活性材料失去电接触，这会导致电极材料比容量、循环寿命和倍率性能的下降。

凝胶材料是一种具有互连网络结构的新型多孔材料，其中，导电聚合物凝胶可以提供三维电子/离子混合传输通道，因而有望取代传统碳导电剂用于电化学能量存储领域。

但是，单一的导电聚合物凝胶的机械性能较差，而且其与活性材料之间的相互作用普遍较弱，这在一定程度上制约了其在电化学储能领域的商业化应用。因此，在保持高电导率的同时，协同提升导电聚合物凝胶的机械性能以及与活性材料之间相互作用至关重要。

文章简介

基于此，南京师范大学吴平副教授课题组在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Interpenetrating Gels as Conducting/Adhering Matrices Enabling High-Performance Silicon Anodes”的文章。

该文章采用同步凝胶化策略在导电聚合物凝胶中引入分子尺度相互交联的粘结聚合物凝胶，极大的提升了复合凝胶的机械性能以及与活性材料之间相互作用。

具体来说，吡咯单体通过氧化−聚合反应形成聚吡咯凝胶网络，而该反应释放出的氢离子则原位催化聚乙烯醇与戊二醛的交联反应形成聚乙烯醇凝胶网络；这种相互关联且同时进行的凝胶过程最终形成分子尺度相互交联的聚吡咯/聚乙烯醇互穿网络凝胶。

图1. 聚吡咯/聚乙烯醇互穿网络凝胶的合成与结构示意图及其作为导电/粘结介质在硅负极中的应用

作为导电/粘结介质，高电导率且富含互连孔洞的聚吡咯凝胶网络提供快速的电子/离子传输通道，高柔性且富含羟基的聚乙烯醇凝胶网络提供三维整体粘结效果，而两种凝胶网络间分子层次上的物理/化学相互作用进一步增强了导电/粘结协同效应，因此，聚吡咯/聚乙烯醇互穿网络凝胶是用于电化学储能领域的理想导电/粘结材料。

作为验证，将商业化硅颗粒原位固定于聚吡咯/聚乙烯醇凝胶，进一步直接涂覆到铜集流体上形成凝胶电极。与传统电极相比，硅@聚吡咯/聚乙烯醇凝胶电极的循环寿命和倍率性能均得到了极大的提升。该研究工作为设计合成新型导电/粘结介质提供了新的视角。

本文要点

要点一：同步凝胶化策略形成分子尺度相互交联的互穿网络凝胶

要点二：互穿网络凝胶中，聚吡咯与聚乙烯醇各司其职且相互协作，形成综合性能优异的导电/粘结介质

要点三：聚吡咯/聚乙烯醇互穿网络凝胶作为导电/粘结介质助力长寿命与高倍率硅基负极

文章链接

Interpenetrating Gels as Conducting/Adhering Matrices Enabling High-Performance Silicon Anodes

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta01733k

通讯作者介绍

吴平副教授。

2007年本科毕业于浙江大学材料学院，2012年博士毕业于浙江大学材料学院/硅材料国家重点实验室，师从杨德仁院士。2012年加入南京师范大学，现为化学与材料科学学院副教授。2017-2018年获国家留学基金委资助赴德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授课题组访学交流。独立工作以来，将功能化凝胶体系与电化学能源领域相结合，主要研究凝胶及其衍生物在电化学能量存储与转换领域的应用。在Nano Lett., ACS Nano, Angew. Chem., Small Methods, Research, ACS Materials Lett., J. Mater. Chem. A等学术刊物上发表60余篇研究论文，研究成果被中国科学技术协会官方网站、Materials Views China、今日头条以及ScienceAAAS、ACS美国化学会、WileyChem和Research科学研究官方公众号报道。