南京理工大学丨傅佳骏教授、杨勇副教授JMCA：高延展性、阻燃、切口钝感的本征自修复固态聚合物电解质- 大数跨境

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南京理工大学丨傅佳骏教授、杨勇副教授JMCA：高延展性、阻燃、切口钝感的本征自修复固态聚合物电解质

科学材料站

2021-01-31

导读：该文章提出了一种通过物理交联（离子-偶极相互作用）实现本征愈合能力的自修复固体聚合物电解质

文章信息

用于稳定、安全柔性锂电池的高延展性、阻燃、切口钝感的本征自修复固态聚合物电解质

第一作者：王成，李瑞靖

通讯作者：傅佳骏*，杨勇*

单位：南京理工大学

研究背景

锂离子电池是目前应用最为广泛的储能器件之一。然而，传统液态电解质使用所带来的安全性问题还尚未解决。用固态聚合物电解质替代液态电解质，可以显著提高锂离子电池的可靠性和安全性。

此外，固态聚合物电解质可以通过机械应变抑制锂枝晶生长，为锂金属负极的使用提供基础。具有良好柔韧性的有机聚合物易于剪裁、加工，为可穿戴电子器件的开发提供了巨大支撑。然而，厚度在数十微米到数百微米级别的固态聚合物电解质膜在装配和使用过程中，受到外力作用容易开裂或损坏，这可能导致电池故障。因此，自修复材料可以在受到破坏时修复受损部位，延长使用寿命，被认为是高性能固态聚合物电解质的理想选择。

本论文展示了作者合成的新型固态聚合物电解质材料，研究了它的自修复性能和电池性能，表明该材料在锂离子电池及柔性储能器件中具有巨大应用潜力。论文为未来自修复材料的应用提供了新的方向，同时有助于提升固态聚合物电解质的研究及实用进程。

文章简介

近日，来自南京理工大学的傅佳骏教授和杨勇副教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Highly Stretchable, Nonflammable and Notch-insensitive Intrinsic Self-healing Solid-state Polymer Electrolyte for Stable and Safety Flexible Lithium Batteries”的学术文章。

该文章提出了一种通过物理交联（离子-偶极相互作用）实现本征愈合能力的自修复固体聚合物电解质，其具有优异的电化学性能、电池性能和抗疲劳性能，在柔性可穿戴电子设备中具有巨大应用前景。

图1. 自修复固态聚合物电解质的离子-偶极作用、自修复性能、粘附性和柔性电池。

本文要点

要点一：基于离子-偶极作用的自修复聚合物

本文将甲基丙烯酸磺酸甜菜碱（SBMA）和甲基丙烯酸六氟丁酯（HFBM）共聚，合成了具有两性离子（N+和SO3-）和F原子结构的新型聚合物poly(HFBM-co-SBMA)，加入EMI-TFSI和LiTFSI制备出固态聚合物电解质SHSPE。

离子-偶极相互作用力的存在赋予了SHSPE优异的室温自修复能力，被切成两段后，SHSPE3在室温下放置3 h即可恢复原状。SHSPE3在100％应变下对缺口不敏感（图2b（II）），并且可以恢复到其原始长度（图2b（III））。

这意味着该缺口在应变加载过程中不会断裂，SHSPE3具有出色的韧性。SHSPE3的缺口不敏感特性表明其可以通过超分子键的重新排列有效耗散能量并在断裂表面分散应力，从而产生出色的抗断裂能力。

图2. （a）SHSPE3的自修复展示；（b）Notched-SHSPE3表现出对缺口不敏感和自修复的能力。

要点二：适量磺酸基团的存在促进了锂离子的迁移

图3. 离子模型及不同离子间的相互作用。

锂离子迁移数（）反映了锂离子在电解质中的迁移效率，较高的有助于电池的长期稳定循环。如图3（I）所示，尽管IL和锂盐可以同时起到增塑作用，但过量的EMI-TFSI和LiTFSI会形成较大的离子氛围，抑制Li+迁移。

在SHSPE中引入SBMA之后，密度泛函理论（DFT）计算表明，磺酸盐对Li+的静电吸引力更大（ = -169.43 kcal/mol），会干扰TFSI-和Li+的原始离子氛围（图3，表格），从而释放和促进Li+的迁移。此外，固定化的SBMA抑制了阴离子的移动，进一步促进Li+的解离和迁移。

要点三：良好的电化学性能和电池性能

基于SHSPE组装的Li/Li对称电池在100h的循环里体现出较低且平稳的极化电压，且在增大电流密度后再回到低电流后，电池依然可以稳定运行，结合SEM，说明固态聚合物电解质能够较好的传导锂离子，抑制锂枝晶的生长。

组装Li/LiFePO4电池，在100个循环下有着较为优秀的循环稳定性，说明该固态聚合物电解质有着锂电池应用的潜力。同时，划痕修复后的固态聚合物电解质的EIS谱图与划痕前高度重合，说明SHSPE修复后的电化学性能也得到了恢复，这有利于其在柔性器件中保证电池的正常工作。

要点四：柔性电池的应用

随着可穿戴设备的普及，柔性电池的开发也备受关注。文中将SHSPE应用于软包电池，在折叠、弯曲的情况下，均不影响其正常工作，这是SHSPE优异的自修复能力和电化学性能共同带来的结果。

图4. 软包电池平铺、折叠和弯曲的照片。

文章链接

Highly Stretchable, Nonflammable and Notch-insensitive Intrinsic Self-healing Solid-state Polymer Electrolyte for Stable and Safety Flexible Lithium Batteries.

https://doi.org/10.1039/D0TA10745J

通讯作者介绍

傅佳骏教授.

2007年博士毕业于上海交通大学，同年加入南京理工大学化工学院。长期围绕本征自修复材料的设计、合成及多功能应用研究开展工作。以通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Phys. Rev., Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., J. Mater. Chem. A等学术刊物上发表多篇研究论文。

杨勇副教授.

2012年博士毕业于东南大学，同年加入南京理工大学化工学院。随后在南京大学从事博士后研究工作。长期从事于光催化能源转化与储能方面的研究工作，以第一作者/通讯作者身份在Appl. Catal. B. Environ., JMCA, J. Energy Chem., Electrochim. Acta等学术刊物上发表多篇研究论文。