納米結構電解質
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-24
納米結構電解質的實例教程
本研究的獨特之處在于，低對稱性形態在雙金屬化合物材料中很常見，對于聚合物電解質而言，卻是前所未有的。另外，通過實驗和理論計算，系統地確定了這些納米結構形成的原因，具有重要意義。此外，這項研究首次提出了一種方法，通過控制聚合物電解質中?單位水平的電荷分布，來制備電導率比二維形態高10倍的固體電解質。
研究人員表示，比起典型的二維結構，新納米結構能夠極大提升離子導電性。這為加速全固態電池商業化，開發安全電池，提供了潛在路徑。
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所制備的自愈合固態聚合物電解質在25°C下的離子電導率高達7.48×10?4，電化學窗口較寬，極限拉伸應變達到524%，此外，這種電解質材料可以自發地恢復其結構和功能，而無需額外的外部處理。組裝的Li|SHSPE|LiFePO4電池在室溫下具有極好的循環穩定性，循環300周后比容量超過126.4mAh g?1。基于這種特殊的自愈合固態聚合物電解質的相應固態鋰金屬電池在室溫下具有穩定的循環性能，在可穿戴電子器件中具有廣闊的應用前景。
本文提出一種制備密實化納米晶粒Na3Zr2Si2PO12固態電解質的簡易方法。
Hong和Goodenough教授發現的NASICON型Na3Zr2Si2PO12固態電解質具有高離子電導率，良好的電化學、化學和熱穩定性以及價格低廉等優點。對Na3Zr2Si2PO12的研究主要集中在合成和元素摻雜等方面來提高Na+離子電導率。如通過固相反應法將Al3+、Yb3+、La3+、Nd3+、Y3+、Nb5+、Ti4+、Zn2+等陽離子作為摻雜劑，Na2O-Nb2O5-P2O5作為玻璃化燒結助劑將Na+電導率范圍從10-4 S/cm提高至10-3 S/cm。盡管Na+電導率因陽離子取代而顯著提高，但燒結過程中晶粒快速生長，往往達到微米數量級，嚴重阻礙了探索具有納米結構致密陶瓷的電導率。
而納米晶陶瓷的性能會隨著晶粒尺寸的減小發生巨大變化，具有納米晶粒的無機固體電解質可能表現出較低的界面阻力和較好的循環性能。
來自重慶大學宋樹豐教授團隊通過焙燒氧化鋯前驅體法燒結制備了致密納米Na3Zr2Si2PO12
固態電解
質，平均晶粒尺寸為546±58 nm。該合成方法可在900 °C下合成超細納米粉體，在1260 °C合成致密納米晶粒Na3Zr2Si2PO12固態電解質，其電導率為1.02×10-3S/cm，25 °C時界面電阻為35 Ω·cm2。相關論文以題為“A facile method for the synthesis of a sintering dense nano-grained
Na3Zr2Si2PO12
Na+-ion solid-state electrolyte”發表在Chemical Communications。
展開 水凝膠電解質基柔性鋅離子混合電容器（ZIHCs）由于其集成了鋅電池和電容器的互補優勢，正逐漸成為一種新興的、極具潛力的儲能設備。然而，鋅離子混合電容器仍面臨著能量密度和循環壽命之間失衡和鋅負極枝結晶的問題。與此同時，如何實現高性能的水凝膠電解質仍然存在一些挑戰：1）繁瑣的制備過程，需要長時間的高溫加熱（60-90 °C，超過2 h）、紫外線照射或有毒的促凝劑；2）性能不足，如力學強度低、粘接能力弱、低溫適應性差。因此，迫切需要設計一種簡便高效的方法制備具有優異機械穩定性的自粘和防凍型水凝膠電解質，從而滿足柔性鋅離子混合電容器在嚴苛的環境下工作。
鑒于此，北京林業大學楊俊團隊在前期研究的基礎上（Chem. Mater. 2018, 30, 3110?3121；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 56509?56521），設計了一種基于“單寧酸-金屬離子”自催化效果的納米增強體系。該體系能夠在室溫下幾分鐘內制備出一種新型的抗凍粘附“鹽包水”聚兩性離子水凝膠電解質，極大地延長了柔性鋅離子混合電容器循環壽命（100000圈），并有效地抑制了鋅負極枝結晶的形成。進一步研究發現，組裝的鋅離子混合電容器在電化學性能和機械性能方面均表現出優異的低溫適應性，能夠在冰水浴和真空條件等嚴苛環境下正常工作。
展開 圖5 DN-Ionogel的物理性質與電化學性能研究：(a) 力學性能; (b) 熱穩定性; (c) 阻燃性; (d-f) 電解質的電化學性能; (g-h) 電解質的電池應用性能
(圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces)
圖6. DN-Ionogel軟包裝電池應用情況
(圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces)
綜上，聚離子液體電解質可通過形成雙交聯網絡以及構筑雙網絡結構來保證電解質的機械性能和電化學性之間的平衡，而探究聚合物電解質網絡結構的大小與其電化學性能之間的關系，對后期探尋高性能聚合物電解質體系有著重要意義。
原文作者：
1. Ling Liang, Wenfang Yuan, Xianhong Chen and Haiyang Liao
DOI:10.1016/j.cej.2021.130000
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水凝膠電解質基柔性鋅離子混合電容器（ZIHCs）由于其集成了鋅電池和電容器的互補優勢，正逐漸成為一種新興的、極具潛力的儲能設備。然而，鋅離子混合電容器仍面臨著能量密度和循環壽命之間失衡和鋅負極枝結晶的問題。與此同時，如何實現高性能的水凝膠電解質仍然存在一些挑戰：1）繁瑣的制備過程，需要長時間的高溫加熱（60-90 °C，
較低的室溫離子電導率和窄電化學窗口嚴重阻礙了傳統聚氧乙烯基（PEO基）固態聚合物電解質在高能量密度鋰金屬電池中的應用。 中國科學院北京納米能源與系統研究所蒲雄研究員團隊通過動態交聯亞胺鍵設計并合成了一種用于固態鋰金屬電池的PEO基自愈合固態聚合物電解質（SHSPE），所構建的動態網絡使這種固態聚合物電解質具有自愈能力和優異的力學性能，同時還具有超高的離子導電率和寬的電化學穩定窗口。研究結果表明，采
科學家們通過控制聚合電解質的靜電相互作用，創建了一種納米結構電解質。
研究人員通過先進的合成方法，合成了一組具有不同靜電相互作用強度的聚合物電解質，并通過小角X射線散射剖面(SAXS profile)，證實了這些電解質的納米結構。另外，韓國科學家首次通過大量分子動力學模擬，分析了納米結構中的離子分布。
近年來，隨著對便攜式/可穿戴電子產品、電動汽車的需求不斷增加，高能量密度儲能器件的發展被迅速推動。然而，傳統液體電解質由于充放電過程中容易生成鋰枝晶從而刺穿隔膜引發短路，以及在彎曲變形過程中容易造成電解液泄漏，可能會引發嚴重的安全問題
編輯推薦：對具有良好化學和熱穩定性的Na3Zr2Si2PO12固態電解質超高離子電導率的不懈追求一直是科學界的重要任務，對其改性主要集中在改進制備工藝和元素摻雜等方面。本文提出一種制備密實化納米晶粒Na3Zr2Si2PO12固態電解質的簡易方法。 Hong和Goodenough教授發現的NASICON型Na3Zr2Si2PO12固態電解質具有高離子電導率，良好的電化學、化學和熱穩定性以及價格低廉等
