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    姚亚刚教授团队:分子工程使具有离子跳跃迁移和自愈性的水凝胶电解质向无枝晶锌负极发展

    发布时间:2024-06-07 点击次数: 作者:现代工学院 来源:科学技术处

    水系锌离子电池由于其高能量/功率密度、固有安全性和环境友好性,代表了一种有前途的便携式和可穿戴电子设备供电技术。水凝胶电解质(HEs)的出现使得柔性锌离子电池的构建成为可能,它可以提供离子传递通道,并且可以承受各种机械变形,如弯曲、剪切或折叠。然而,聚合物基HEs通常含有大量的水(>80 wt%),造成负极不可控的枝晶生长和不良副反应。此外,聚合物基HEs的离子电导率低,这是由于聚合物基体无法传输离子,影响了柔性电池的电化学性能。值得注意的是,HEs聚合物链上的官能团可以与Zn2+相互作用,调节溶剂化结构,从而抑制副反应,并且可以为Zn2+的运输提供更短、更快的途径。此外,枝晶生长可能会刺穿HEs,导致柔性电池内部短路。通过赋予HEs自愈特性,可以降低枝晶穿透HEs的速率。因此,开发具有高离子电导率、快速离子传输机制和自愈性的新型HEs对于实现长寿命锌负极至关重要。

    鉴于此,澳门皇冠线上网址姚亚刚教授团队提出了一种分子工程策略,该策略将富氧聚氨酯(OR-PUU)引入聚丙烯酰胺(PAM)基HEs中(OR-PUU/PAM)。利用离子跳跃迁移机制构建离子传输通道,促进了离子快速转移,实现了Zn2+均匀沉积。OR-PUU分子上丰富的极性基团打破了固有的氢键网络,调节了水合Zn2+离子的溶剂化结构,抑制了副反应的发生。此外,OR-PUU/PAM HEs中层次氢键的相互作用使其具有自愈性,能够原位修复电镀/剥离引起的裂纹。长链OR-PUU聚合物通过物理吸附和化学氢键的作用将HEs网络连接到锌负极表面的SEI膜上,形成直接的离子传输通道。由于偶极矩的形成,这些长链分子上的羰基具有电负性,为Zn2+的跳迁提供了过渡态。随后,Zn2+可以沿着长聚合物链的方向快速穿梭,促进有规则取向的沉积,同时抑制枝晶的形成。OR-PUU分子上丰富的极性基团破坏了HEs固有的氢键网络,不仅从溶剂鞘中部分排出了活性H2O分子,修饰了Zn2+溶剂化结构,减少了与Zn2+配位的H2O数量,而且抑制了腐蚀和HER。OR-PUU内的6种氢键构成了分层氢键交联网络,增强了PAM凝胶的结构强度。同时,这种丰富的分层氢键相互作用赋予了HEs优异的自愈性,并且不影响电解质粘度,这有利于界面疲劳裂缝的原位修复,同时保持高的离子电导率。这项工作为通过HEs的分子工程实现无枝晶锌负极提供了有价值的见解。

    (a)柔性锌-二氧化锰电池示意图。(b)不同HEs的CV曲线。(c)不同电流密度下OR-PUU/PAM HE的充放电曲线。(d)在电流2000 mAh g-1下,不同HEs条件下柔性锌-二氧化锰电池的循环稳定性。(e)不同HEs条件下柔性锌-二氧化锰电池的倍率性能。(f)纤维状锌-二氧化锰电池示意图。(g)不同弯曲曲率下纤维状锌-二氧化锰电池的循环稳定性。(h)纤维状锌锰电池供电的柔性压力传感器在不同压力下的I-t曲线。

    相关成果以题为“Molecular Engineering Enables Hydrogel Electrolyte with Ionic Hopping Migration and Self-Healability toward Dendrite-Free Zinc Metal Anodes”发表在材料领域顶级期刊Advanced Materials上。澳门皇冠线上网址现代工程与应用科学学院博士研究生朱开平,张德贺和苏州纳米所博士后罗杰为本文第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、教育部“长江学者奖励计划”等的支持,同时也得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心以及江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的大力支持与帮助。

    论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202311082