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  隨著智能電子產(chǎn)品和新能源汽車的廣泛應用，人們對于能源儲備元件的性能要求越來越高。鋰離子電容器因兼具較高的能量密度和功率密度、優(yōu)秀的循環(huán)壽命使其具備很好的商業(yè)應用前景。目前，研究者主要將精力用于設計高性能的電極材料以得到更高能量密度的鋰離子電容器。實際上，隔膜作為鋰離子電容器重要組成部分，不僅用于阻止電極的直接接觸，同時還參與電解質(zhì)中離子的運輸。但是，目前隔膜常使用的聚烯烴材料親電解液能力和耐熱穩(wěn)定性有限，同時存在漏液、燃燒等安全隱患。因此，亟需開發(fā)具備高離子電導率、阻燃性能的隔膜材料，以實現(xiàn)鋰離子電容器電化學性能和安全性能同步提升。凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）隔膜在一定程度兼具高安全性能和高離子電導率的優(yōu)點，在能源儲存元件具有良好的應用前景。

  針對提升隔膜的離子電導率，目前研究較多的是基于聚偏氟乙烯（PVDF）及其衍生物的凝膠聚合物電解質(zhì)體系。自然界中的樹枝形狀具有多尺度的層級結構，該特殊結構有利于讓樹葉具有更多的著生空間。受該特殊結構和性能的啟發(fā)，天津工業(yè)大學紡織科學與工程學院劉雍教授團隊提出了一種仿生狀凝膠聚合物電解質(zhì)隔膜可控制備工藝，通過在紡絲前驅(qū)液中添加四丁基六氟磷酸銨（TBAPF₆）,利用靜電紡絲技術構筑仿生樹枝狀納米纖維膜，提升纖維膜的比表面積，進一步提升凝膠聚合物電解質(zhì)隔膜的親液性能和離子電導率。

圖1. 樹枝狀納米纖維的制備及其在鋰離子電容器上的應用

  針對鋰離子電容器電極功率密度不平衡問題，該團隊進一步通過溶劑熱法將MnO₂原位引入到樹枝狀納米膜中，從而得到了具有葉脈狀核殼結構的納米纖維膜，不僅提升了隔膜的熱穩(wěn)定性能，同時利用MnO₂的贗電容性能提升了鋰離子電容器的能量密度，因此基于此凝膠聚合物隔膜（MnO₂ @ PVDF / TBAC）的鋰離子電容器性能經(jīng)過一萬次循環(huán)后仍維持原有性能的67%。此項工作為緩解鋰離子電容器電極間不平衡問題提供了一種新策略。

圖 2. 葉脈狀納米纖維的制備及其循環(huán)性能

  在前期工作基礎上，凝膠聚合物電解質(zhì)仍然含有一定量的可燃性液態(tài)電解質(zhì)，存在安全隱患，為進一步提升其阻燃性能以及電化學性能，由劉雍教授帶領的研究團隊將有機改性蒙脫土（OMMT）引入到上述PVDF/ TBAPF₆樹枝狀納米纖維中，通過調(diào)控OMMT的聚集程度和濃度范圍，獲得了一種具備層狀結構的樹枝狀納米纖維膜。層狀結構進一步增大了纖維膜的比表面積，提升纖維膜的凝膠程度和離子電導率（3.95 * 10^-3 S cm^-1）。

圖3.（a）層狀樹枝狀納米纖維凝膠聚合物電解質(zhì)隔膜材料設計（b）PVDF-TBAPF₆-OMMT層狀結構（c）納米纖維膜的凝膠化圖像,PVDF(ii); PVDF-TBAPF₆(iii); PVDF-TBAPF₆-OMMT(iv),(d)不同纖維膜的離子電導率。

  PVDF-TBAPF₆-OMMT凝膠聚合物電解質(zhì)隔膜不僅提供了更高的孔隙率和親液性能，同時提升了其熱穩(wěn)定性能和阻燃性能，極限氧指數(shù)可達到~30%，實現(xiàn)了優(yōu)異的耐火性能，該團隊并對其阻燃機理進行了深入研究。此外，該凝膠聚合物隔膜表現(xiàn)出較低的界面阻抗（56Ω）。由其組裝的鋰離子電容表現(xiàn)出較好的循環(huán)穩(wěn)定性。該工作為獲得高離子電導率阻燃型凝膠聚合物隔膜的研究提供了新的思路。

圖4.（a）不同纖維膜的熱穩(wěn)定性能，（b）不同纖維膜的極限氧指數(shù)，(c) 不同纖維膜的界面阻抗，(d) 不同纖維膜的電化學穩(wěn)定窗口， (e) 不同纖維膜的循環(huán)性能對比。

  以上相關成果分別發(fā)表在Electrochimica Acta（Electrochim. Acta, 318 (2019), pp. 801-808），Chemical Engineering Journal（Chem. Eng. J., 387 (2020), Article 124058）和Chemical Engineering Journal, （Chem. Eng. J., 422（2021), Article 130116）上。論文的第一作者為天津工業(yè)大學紡織科學與工程學院碩士生沈先磊，共同第一作者為該院教師厲宗潔，通訊作者為劉雍教授。

  論文鏈接：

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721017010

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894720300498

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0013468619312381