??近年來，鋰離子電池在電子產(chǎn)品、電動交通工具和清潔能源儲能等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著鋰離子電池市場應(yīng)用的快速增長，鋰離子電池的安全性問題日益凸顯。特斯拉電動汽車的自燃和三星Note7手機(jī)的爆炸事故均起因于其鋰離子電池發(fā)生短路繼而引發(fā)內(nèi)部的液態(tài)電解質(zhì)受熱燃燒。因此，發(fā)展固態(tài)電解質(zhì)來替代傳統(tǒng)的易燃液態(tài)電解質(zhì)是從本質(zhì)上提升鋰離子電池安全性的必由之路。然而，固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率偏低是阻礙其實用化的最關(guān)鍵因素。同時，為了降低固態(tài)電解質(zhì)的內(nèi)阻以及提高鋰離子電池的體積能量密度，固態(tài)電解質(zhì)在實際應(yīng)用中的厚度通常控制在幾十到上百微米的尺度。如此薄的固態(tài)電解質(zhì)在電池組裝過程中或電池受到外力沖擊的情況下極易發(fā)生破損繼而導(dǎo)致電池短路。因此，發(fā)展具有高離子導(dǎo)電率同時能夠自發(fā)修復(fù)機(jī)械損傷的固態(tài)電解質(zhì)對于提高鋰離子電池的安全性和可靠性至關(guān)重要。

圖1. (a,b) 聚離子液體(PIL-UPy)的合成及凝膠電解質(zhì)的制備，(c) 凝膠電解質(zhì)及其柔性的照片展示，(d) 基于凝膠電解質(zhì)所組裝的鋰離子電池結(jié)構(gòu)。

近日，吉林大學(xué)孫俊奇教授研究小組報道了一種具有自修復(fù)性能和高離子導(dǎo)電率的柔性固態(tài)凝膠電解質(zhì)。該凝膠電解質(zhì)由含有2-脲基-4[H]啶酮（UPy）基團(tuán)的聚離子液體，咪唑類離子液體和鋰鹽（雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰）的丙酮溶液經(jīng)溶劑揮發(fā)和熱壓的方法制備而成（圖1）。其中，UPy基團(tuán)間的四重氫鍵將聚離子液體交聯(lián)從而形成了穩(wěn)定的聚離子液體網(wǎng)絡(luò)。同時，由于聚離子液體和離子液體的相容性和靜電相互作用，上述聚離子液體網(wǎng)絡(luò)可以負(fù)載大量的離子液體（離子液體為聚離子液體質(zhì)量的3.5倍）從而形成了固態(tài)的離子液體凝膠（Ionogel）電解質(zhì)。該凝膠電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率高達(dá)1.41×10-3S/cm，同時表現(xiàn)出良好的柔性、彈性和優(yōu)異的不可燃燒性質(zhì)。基于該凝膠電解質(zhì)組裝的Li|Ionogel|LiFePO4電池表現(xiàn)出了良好的充放電循環(huán)性能，該電池在0.2C倍率下循環(huán)120周期后的放電容量和庫倫效率分別為147.5mAh g-1和99.7%（圖2），上述性能均優(yōu)于同等條件下以離子液體或傳統(tǒng)的液態(tài)電解液作為電解質(zhì)所組裝的電池。更為重要的是，由于該凝膠電解質(zhì)內(nèi)部基團(tuán)間可逆的氫鍵和靜電相互作用，其發(fā)生斷裂后可在55℃的條件下自發(fā)修復(fù)損傷，修復(fù)過程亦可在組裝好的電池中原位進(jìn)行。電池性能測試表明凝膠電解質(zhì)發(fā)生斷裂后會導(dǎo)致電池充放電性能的迅速喪失，而將其在電池中原位修復(fù)后，電池的充放電循環(huán)性能能夠得以恢復(fù)和保持（圖3）。

圖2. (a) Li|Ionogel|LiFePO4電池在0.2 C倍率下的循環(huán)性能及其與離子液體及傳統(tǒng)液態(tài)電解液作為電池電解質(zhì)的對比，(b) Li|Ionogel|LiFePO4電池的倍率性能。

圖3. (a) 斷裂后的凝膠電解質(zhì)在電池外或電池內(nèi)的修復(fù)。(b) 組裝有斷裂后并經(jīng)過修復(fù)的凝膠電解質(zhì)的Li|Ionogel|LiFePO4電池的循環(huán)性能及其與斷裂后未經(jīng)修復(fù)的凝膠電解質(zhì)的對比。

該研究工作發(fā)展了兼具自修復(fù)性能和高離子導(dǎo)電率的柔性凝膠電解質(zhì)材料，其同時表現(xiàn)出不可燃燒性質(zhì)以及與鋰離子電池電極間良好的界面粘合性能。該凝膠電解質(zhì)在保證鋰離子電池良好充放電循環(huán)性能的同時，可大大提高電池的安全性、可靠性和使用壽命。同時，該凝膠電解質(zhì)對于發(fā)展可拉伸、可修復(fù)柔性鋰離子電池具有重要的借鑒意義。該工作以“Healable,Highly Conductive, Flexible, and Non?ammable Supramolecular IonogelElectrolytes for Lithium-Ion Batteries”為題發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces上(DOI:10.1021/acsami.9b02182)。

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