时间：2024-04-03 04:48:32 来源：bob官方下载苹果 已有 1 人关注
该策略基于多功能介体的桥接，通过将静电纺丝技术与压延工艺加以结合，利用耐热聚合物聚丙烯腈（PAN，polyacrylonitrile）和陶瓷填料 SiO2 配制而成的纺丝液，即可将纳米 PAN/SiO2 纤维膜进行辊压处理。
这样做不但可以大幅度降低薄膜厚度，同时致密化的排列结构又赋予纤维膜以更高的机械强度与导热效率。
当采用上述介体来作为聚合物电解质的填充骨架，就能制备得到一种新型聚合物电解质材料，该材料能在-25-80℃ 的宽温域之下工作。
值得注意的是，本次研究还揭示了 PAN 纳米纤维骨架表面的独特阴离子锁定机制。对于电解质内部阳离子来说，这能明显降低它在传输过程中所需克服的空间阻力与能量势垒，从而助力其实现快速、低能耗的迁移。
结合固态锌电池自身的优势，通过进一步适配高单位体积内的包含的能量电极体系来加以集成封装，让这种新型聚合物电解质材料有望用于高功率密度需求的领域，比如用于固定式储能、轨道交通动力回收、以及电网调频等。
此外，其良好的宽温域性能也有望满足极寒、酷热等极端环境的多样化应用需求，比如作为寒冷极地地域、或高温沙漠地区的户外储能设备。
考虑到这种聚合物电解质材料拥有良好的柔性和机械强度，通过与柔性基底材料相结合，就能逐步发展新的柔性固态电池技术，从而用于智能穿戴设备、生物医疗检测等场景。
针对相关论文一位审稿人认为：“本次工作所提出的聚合物电解质设计思路，实现了固态锌电池在离子传输动力学与工作温域的协同明显提升，具备较好的创新性。”
另外两位审稿人也表示：“这项工作为提高 Zn2+ 在固体电解质中的输运能力提供了一条有效途径”“所提出的多功能介质桥连编辑，不仅能提高聚合物电解质的机械强度与界面热导率，还能显著改善 Zn2+ 迁移性能和高温界面的相容性”。
据介绍，在全球推行碳中和进程的大背景下，新能源电池的发展不仅对全球能源转型产生深远影响，更是中国应对气侯变化、优化产业体系、推动绿色发展，实现“双碳”减排的必由之路。
作为锂离子电池的重要补充，固态锌电池兼具本征安全、低成本与高理论容量等应用优势，是当前可持续能源存储的有效解决方案之一。
随着人类对地球探索的不断深入，时常需要涉足于寒冷、酷热等极端环境与复杂地形开展户外作业，稳定的供电保障显得很重要。因此，发展全天候的宽温域快充固态电池技术既是机遇也是挑战。
对于固态锌电池来说，其电化学性能特别大程度上受制于聚合物电解质。当固态锌电池在低温条件下工作时，会面临离子传输动力学缓慢、高温时电解质结构不稳定、以及电极/电解质界面相容性差等难题。
这表明开发宽温域快充固态锌电池，是一个系统性难题。对于聚合物电解质的设计，既要在其内部构建快速离子迁移网络、又要增强其结构热稳定性与热传导效率，以保证电极与电解质界面在宽温域工作条件下的良好相容性。
基于此，课题组开展了这项研究。固态聚合物电解质，是该团队的主要探索方向之一。在此之前，已经有另一位硕士生开展过相关工作，并积累了一定基础和经验 [2]。
表示：“以老带新是我们团队的一贯传统，所以在研一学习阶段，我就给学生李宜姝拟定了目标：开发能够适配快充固态锌电池的聚合物电解质体系。”
结合目前电池应用的短板，李宜姝将目光投向宽温域固态电池聚合物电解质。原因主要在于相比于锂金属，锌金属的质量较大。
要发展宽温域固态锌电池，不仅要解决电解质材料的耐热性能，还要满足电解质本体的离子输运、以及电解质/电极界面的相容性问题。
通过查阅资料，她开始将注意力锁定在耐热材料——电纺 PAN 薄膜上，并尝试通过静电纺丝技术加工 PAN。为逐步加强 PAN 膜的机械性能，她又引入陶瓷填料 SiO2 和压延工艺。
李宜姝表示：“考虑电纺 PAN 薄膜良好的耐热与机械性能，我想将其直接作为支撑骨架，在其基础上浇注 PEO/Zn(OTf)2/乙腈的电解质溶液，借此提高聚合物电解质机械性能和传热性能。”
然而，她发现 PAN 膜在接触电解质溶液后，会发生明显的卷曲现象，预定计划也因此被打破。
这时就要重新选择正真适合的溶剂。于是，她从大量有机溶剂中进行筛选，这中间还包括丙酮、N,N-二甲基甲酰胺和乙醇等。
“然而科研不是空中楼阁和镜花水月，我发现这些溶剂与乙腈的效果类似，PAN 膜依旧避免不了卷曲。由此可见，PAN 膜发生形变的原因或许主要不是溶剂的选择问题。”李宜姝说。
针对这样的一个问题，建议她从 PAN 膜体自身的机械强度角度考虑，通过对薄膜进行致密化处理，来进一步提升其整体机械性能，从而为内部纳米纤维重塑松散的排列组合方式。
正好实验室里拥有对辊机，于是李宜姝便将其利用起来，对 PAN 膜进行压延处理。
令人意想不到的是，经过压延处理之后，PAN 膜卷曲问题果然得到非常明显改善。但是，压延之后膜的厚度大幅度的降低。而被浸泡电解液之后的膜，其平整度依然存在比较大的提升空间。
后来，她尝试在纺丝膜里分别添加少许陶瓷填料——SiO2 和 Al2O3，尽管二者都能解决 PAN 膜的平整度问题。但通过进一步结合电化学测试结果等因素考虑，她最终决定使用 SiO2。
紧接着，要进一步确定 SiO2 的用量、压延工艺参数、聚合物电解液的组分配比，以及聚合物电解质成膜后的干燥温度和时间。
由于涉及的步骤较多，这让他们在工艺优化阶段耗费了大量时间，期间还要通过不断组装电池，结合电化学检测结果进行二次筛选。
而在后期整理实验结果和撰写论文时，又面临另一个困境：如何合理解释 PAN 介体对于聚合物电解质中锌离子传输的增强机制？
“针对这样的一个问题，我提出采用‘实验横向对比结合理论计算化学’的方式来进行论证，最终得以解决这一问题。”说。
日前，相关论文以《一种面向宽温域、快充固态锌金属电池的超薄、多动力学增强聚合物电解质设计》（）为题发在 Advanced Functional Materials [1]。李宜姝是第一作者，和深圳大学教授担任共同通讯作者。
据了解，审稿人在点赞本次工作的同时也提出了一些建议，即本次固态电池的高温性能任旧存在较大的提升空间。
具体来说，尽管该团队成功拓宽了固态锌电池的稳定运行温域。然而无论是低温充放电速度，还是高温循环可逆性，仍然存在比较大局限性。
鉴于此，课题组已经着手研发新型电解质体系，目前已经取得一些满意的结果。未来，他们将进一步围绕可规模化生产、造成本、高存储性能与多应用场景这四个维度进行持续发力。
另据悉，该团队始终致力于高性能二次（有机/水系/固态）电池技术的研发与应用化。
表示：“得益于团队带头人教授在校企合作中积累的丰富经验，我们正在积极推动前期成果的落地转化。在学生培养上，已有多位研究生先后获得国家级奖学金，近期还有三篇论文入选了 2023 年深圳市第三届百篇优秀科技学术论文成果集 [2-4]。”
