多價態離子的案例
清華大學徐成俊&董留兵Energy Storage Materials:基于多價態離子存儲理論構筑的
多價態離子（Zn2+、Mg2+、Ca2+和Al3+等）電池是近些年電化學儲能領域研究的熱點。與鋰離子電池相比，多價態離子電池顯示出特有的動力學、熱力學特征與電化學性能。其中，基于二氧化錳正極和金屬鋅負極的水系鋅離子電池具有安全、環保、較高的比容量等優勢。包括鋅離子電池在內的多種電池具有比超級電容器高的能量密度，然而其倍率性能和功率輸出卻低得多。
近來，清華大學深圳研究生院的徐成俊副研究員和董留兵博士等人基于多價態離子存儲機制構筑了水系鋅離子混合超級電容器（Multivalent ion storage towards high-performance aqueous zinc-ion hybrid supercapacitors, Energy Storage Materials, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.10.020），其中二氧化錳納米棒為正極、高比表面積活性炭為負極、鋅離子水系溶液為電解液（圖1）。該儲能體系以鋅離子在二氧化錳隧道中的可逆嵌入/脫出以及離子在活性炭表面的吸脫附作為主反應機制，并伴隨有堿式硫酸鋅的生成/溶解；基于對體系內部電化學反應機理的研究，調節電解液組分，實現了對體系內部電化學反應的合理調控，使得該儲能體系的電化學性能得到進一步優化。
圖1. 二氧化錳//活性炭（
MnO2
//AC）鋅離子混合超級電容器結構示意圖
具體來說，如圖2所示，該儲能器件工作電壓為0-2 V，與傳統二氧化錳//硫酸鈉電解液//碳非對稱超級電容器具有相近的電壓區間。
展開 “COMSOL多物理場耦合仿真技術與應用-鋰離子電池”篇
“COMSOL多物理場耦合仿真技術與應用-鋰離子電池”
1. COMSOL 仿真基礎
1.1 數值仿真基本要素及其在 COMSOL 中的對應
1.1.1 模型參數與變量
1.1.2 物理場添加及電解條件設置
1.1.3 模型構建與網格劃分
1.1.4 求解器類型與設置
1.1.5 后處理及數據分析
1.2 COMSOL 中鋰離子電池接口介紹
1.2.1 電池基本物理過程及控制方程
1.2.2 常用電池邊界條件及初始條件
1.2.3 常用電池電極材料參數設置
2. 鋰離子電池 P2D 模型
2.1 P2D 模型的理解與分析
2.2 COMSOL 中電池 P2D 模型構建
2.2.1 模型參數輸入
2.2.2 模型構建及模型材料設置
2.2.3 電池物理方程及參數設置
2.2.4 網格劃分與求解器設置
2.3 電池典型充放電過程仿真及后處理技巧
3. 鋰離子電池電化學-熱耦合模型
3.1 P2D 電化學模型與電池熱模型耦合
3.2 電池集總參數模型及其與電池熱模型耦合
3.3 兩種電池電(化學)-熱耦合模型的區別及應用場景
3.4 圓柱形或方形鋰離子電池建模及仿真演示 (二選一)
4. 鋰離子電池衰退模型及仿真
4.1 COMSOL 中電池充放電循環仿真
4.1.1 電池充放電循環邊界條件設置
4.1.2 電池加速衰退設置
4.1.3 電池充放電循環仿真后處理技巧
4.2 鋰離子電池常見衰退現象及其數學描述
4.2.1 負極 SEI 膜增厚過程仿真
4.2.2 活性鋰損失計算
4.3 鋰離子電池衰退模型構建及仿真演示
5.
展開 ：新型高效多功能聚離子液體粘附材料
近日，湖南大學材料科學與工程學院張世國教授團隊在Advanced Materials發表研究論文，報道一種高粘附性的聚離子液體材料。
膠粘劑材料在多個領域都有著廣泛的應用場景。盡管近年來許多基于多巴胺結構的高分子膠粘劑廣為報道，但其存在的不可逆氧化交聯、合成繁瑣、循環性能差等問題卻始終存在，開發一種新型多功能膠粘劑仍是一個巨大的挑戰。
離子液體，由有機陽離子和無機或有機陰離子組成的一類室溫熔融鹽，具有諸多常規有機分子不具備的特性，例如，極低的蒸氣壓、不可燃性、高離子導電性、與各種有機/無機材料間良好的相容性，以及高(熱、化學和電化學)穩定性等。由于大多數離子液體在室溫處于液態，直接使用離子液體作為一種膠粘劑材料使用顯得不切實際。聚離子液體，結合了離子液體固有的化學性質和聚合物的基本物理性質（機械耐久性和可加工性等），表現出了直接作為膠粘劑材料使用的可能性。然而，由于其過高的玻璃化轉變溫度(Tg)使得目前報道的大部分聚離子液體材料在室溫下大多都是質地偏脆的固體粉末。此外，一般的聚離子液體本身幾乎沒有粘附特性，不能直接作為膠粘劑使用。
圖1 烷氧基聚離子液體(PIL-m-TFSI)及其它對比樣品的結構式
本研究表明，通過在含有雙(三氟甲磺酰亞胺)(TFSI?)陰離子的聚離子液體的陽離子主鏈上簡單地引入烷氧基側基，傳統的聚離子液體就可以設計成高效的膠粘劑，如圖1所示。
展開 東華大學武培怡教授團隊《Small》:“智能粘附”的多功能水凝膠離子皮膚生物傳感器
：受指紋結構啟發構筑超高應變感知褶皺型離子導電芯鞘纖維
武培怡教授團隊《Mater. Horiz.》：力學性能自增強的高透明離子凝膠用于水下超強粘附
武培怡教授團隊ACS Nano：多功能智能可穿戴纖維織物
武培怡教授團隊《Adv. Mater.》：可水下通信的光學偽裝離子凝膠
東華大學武培怡教授/孫勝童研究員團隊AFM：可自由涂覆的自適應離子凝膠油墨
武培怡教授課題組：小口香糖大變身，在家里也能制備智能傳感器
東華大學武培怡教授課題組：多層級網絡增強的水玻璃實現寬譜帶光管理
東華大學武培怡教授課題組《Adv. Funct. Mater.》：具有診療功能的仿生離子皮膚
武培怡教授團隊《NML》：3D打印MOF材料，“泡一泡”實現可調色發光
東華大學武培怡教授團隊：水溶液自組裝制備功能性超薄二維納米材料
東華大學武培怡教授課題組：雙聚合物協同機制構筑界面穩定的MOF納米片溫敏納濾膜
武培怡教授團隊《Adv. Sci.》
展開 
《AFM》華南理工大學祁海松/孫桃林：液態金屬誘導聚合制備多功能無液離子導電彈性體水凝膠
【總結】
來自超聲波破碎的 LM-AA 納米液滴可以引發 PDES 的自由基聚合，并進一步釋放 Ga 的多價陽離子以將 PAA 交聯成高度透明 (94.1%)、超拉伸 (2600%) 和自主自愈無液體離子導體 (0.13S m-1)。合成過程非常簡單、快速（2.5 wt% LM-PDES 需要 6 分鐘），聚合前體中僅包含 LM、AA 和 ChCl。此外，這種不含液體的聚合物材料本身就具有抗凍和干燥的能力，使其能夠在惡劣的條件下運行。考慮到透明性、自愈性、超拉伸性、可塑性和感官特性，由此產生的離子導電彈性體有望在可穿戴設備、力圖和柔性電致發光設備等工業應用中發揮作用。應該相信，這種由 LM 引發的聚合和交聯方法將為聚合物材料的合成開辟一條新的有力途徑，并為功能化提供多種可能性。
參考文獻：
doi.org/10.1002/adfm.202101957
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展開 青島大學隋坤艷課題組：一種基于海藻多糖超分子納米纖維水凝膠的離子皮膚傳感器
最近，青島大學材料科學與工程學院隋坤艷教授和美國馬里蘭大學帕克分校化學與生物化學系聶志鴻教授，受人體皮膚組成以及傳感原理的啟發，研發出一種基于海藻多糖超分子納米纖維水凝膠的離子皮膚傳感器。
該研究采用一價無機鹽(如NaCl)誘導半剛性海藻酸鈉（SA）分子自組裝形成基于多重氫鍵的超分子納米纖維網絡作為能量耗散網絡，聚丙烯酰胺（PAM）化學交聯網絡依然作為支撐彈性網絡；與此同時，NaCl和SA亦可提供大量的導電離子賦予水凝膠高的導電性，從而實現水凝膠中力學網絡和導電網絡二者之間協同效應機制的構筑。基于此，該水凝膠從組成上和結構上（SA納米纖維、PAM彈性網絡、NaCl）可模擬人體皮膚（膠原蛋白纖維、彈性纖維、無機鹽）。制備得到的水凝膠呈現出高透明度(99.6%)、高拉伸強度(0.75 MPa)、抗壓縮（汽車碾壓后立刻回彈）、高延展性(3120%)、高韌性（4.77 MJ m-3）、高應變下依然保持高彈性等優異性能。進而應用于離子傳感器，展現出高靈敏度、寬應變響應范圍(0.3%~1800%)、優異的貼合性和穩定性，并且可以在0.04V的低電壓下工作，能夠實現對人體從大幅度運動（四肢）到微小形變（發音、脈搏）等即時及穩定檢測。該成果以題為“Supramolecular Nanofibrillar Hydrogels as Highly Stretchable, Elastic and Sensitive Ionic Sensors”發表在國際知名期刊Materials Horizons上。
展開 河北大學ACS Energy Letters：可充水系Zn-V2O5電池
這得益于水系電解液具有高的安全性、良好的環境兼容性和優異的離子電導率；此外，鋅資源豐富、分布廣泛、化學穩定性高，可直接用作負極材料。然而，鋅離子電荷高且原子量大，在常規正極晶體結構中的脫嵌動力學緩慢，因此急需開發新型高性能儲鋅正極材料。層狀五氧化二釩（V2O5）具有廉價易得、理論容量高（589 mAh/g）等特點，被認為是一種有應用前景的儲鋅正極。然而，釩基氧化物在低濃度水系電解液中一般面臨著循環穩定性差和倍率不佳的問題。此外，盡管V2O5在鋰離子電池中已被廣泛研究且反應機理明確，但是多價態陽離子在其晶體結構中的脫嵌行為相對復雜，其儲鋅機理有待闡明。
【成果簡介】
河北大學張寧博士（通訊作者）等研究人員在美國化學會能源旗艦刊ACS Energy Letters (IF≈11) 上在線發表了題為“Rechargeable Aqueous Zn-V2O5 Battery with High Energy Density and Long Cycle Life”的文章。利用商業化的V2O5為正極，金屬鋅為負極，Zn(CF3SO3)2水溶液為電解液，構建了高能量密度、長循環壽命的Zn-V2O5電池體系。通過電化學測試、TEM表征和XPS表征等分析方法，闡明了V2O5正極的儲鋅機理；通過使用所優化的高濃度水系電解液，顯著提升了Zn-V2O5電池的循環穩定性和倍率性能。
【圖文導讀】
圖1 可充水系Zn-V2O5電池的反應機理和循環穩定性。
（a）在3 M Zn(CF3SO3)2水系電解液中，電池工作原理示意圖；（b）Zn-V2O5電池在0.2，0.5和1.0 mA/g的電流密度下的循環性能圖。
圖2：可充水系Zn-V2O5電池電化學性能表征。
（a）倍率性能;（b）充放電曲線；（c）Ragone曲線性能對比；（d）長循環穩定性；（e）微分電容曲線。
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