圖1.?水/有機(jī)兩親性準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)及其內(nèi)部載流子傳輸機(jī)制示意圖
在實(shí)際應(yīng)用中，不安全的有機(jī)電解質(zhì)、窄電化學(xué)穩(wěn)定窗口的水系電解質(zhì)和低離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)日益暴露出其局限性。水/有機(jī)兩親性準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)可以同時(shí)結(jié)合有機(jī)電解質(zhì)、水系電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)性能（如離子電導(dǎo)率和電化學(xué)穩(wěn)定窗口）通常會(huì)表現(xiàn)為競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。因此，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)和調(diào)控準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的關(guān)鍵組分，從動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)機(jī)理上全面探討兩親性準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部的親疏水動(dòng)態(tài)平衡與儲(chǔ)能裝置性能之間的關(guān)系，以保證其電化學(xué)性能符合實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的。
圖2.?兩親性準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)（a）設(shè)計(jì)策略及（b）電化學(xué)穩(wěn)定窗口測(cè)試
圖3.?（a）eAPG-4中電解質(zhì)分子模型以及動(dòng)態(tài)重組的疏水和親水結(jié)構(gòu)域；（b-g）Na+與H2O和TMP中的O原子在疏水和親水結(jié)構(gòu)域中的徑向分布函數(shù)和配位數(shù)分布情況。
準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部組分間的相互作用和界面去溶劑化能壘等熱力學(xué)性質(zhì)與電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的能量密度和循環(huán)壽命密切相關(guān)。通過結(jié)合理論模型和光譜表征揭示了體系的去溶劑化過程、界面分子聚集行為和水分子的存在環(huán)境。值得一提的是，光譜表征結(jié)果與熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果完美匹配和補(bǔ)充，證明了動(dòng)態(tài)自重組的親水離子傳輸通道和疏水交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于兩親性準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)理念的優(yōu)勢(shì)。
圖4.?（a-e）兩親性準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)中的熱力學(xué)性質(zhì)及光譜表征（f）Raman和（g和h）FTIR光譜。
基于理論設(shè)計(jì)的兩親性準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)性能，組裝了三明治結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器并與商用的聚丙烯隔膜組裝的超級(jí)電容器進(jìn)行了比較。電化學(xué)儲(chǔ)能器件的能量密度、功率密度、循環(huán)性能均具有顯著優(yōu)勢(shì)。
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圖5.?兩親性準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)和PP隔膜應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備的電化學(xué)性能測(cè)試（a）CV、（b）GCD、（c）倍率性能、（d）交流阻抗、（e）循環(huán)性能及與（f）不同文獻(xiàn)綜合性能的對(duì)比。
綜上所述，作者提出了一種通過動(dòng)態(tài)自重組親水性離子通道和疏水性交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計(jì)制備準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的新策略。通過調(diào)節(jié)聚合物基體的親水性、體系內(nèi)部的溶劑化結(jié)構(gòu)和氫鍵網(wǎng)絡(luò)，在兩親性準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)中成功構(gòu)建了快速離子通道和穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。從動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的角度對(duì)富磺酸鹽的親水快速離子通道和電極/電解質(zhì)穩(wěn)定界面進(jìn)行了全面的研究，均證明了該策略的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。將設(shè)計(jì)的電解質(zhì)應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能器件中，在2.3 V的工作電壓下表現(xiàn)出優(yōu)異而穩(wěn)定的電化學(xué)性能。這項(xiàng)工作同時(shí)也證明了該策略具有廣闊的應(yīng)用前景，可以擴(kuò)展到各種系統(tǒng)的超級(jí)電容器和二次電池的電解質(zhì)設(shè)計(jì)中。
華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院的博士生章澤鍇為論文的第一作者，穆宏春博士、蘇海萍副教授和練成教授為共同通訊作者，該論文同時(shí)得到了劉洪來教授和王庚超教授的悉心指導(dǎo)。該工作受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和萬(wàn)人計(jì)劃青年拔尖等項(xiàng)目的資助。
Zekai Zhang, Qian He, Hengyi Wang, Changwei Liu, Hongchun Mu*, Haiping Su*, Xia Han, Honglai Liu and Cheng Lian*
Cite This:?CCS Chem.?2024, Just Published. DOI: 10.31635/ccschem.024.202404104
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