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武漢大學陳朝吉教授團隊 Chem. Soc. Rev. 綜述：寬溫域二次電池體系中凝膠電解質的設計、挑戰和機遇

2024-04-24 來源：高分子科技

過去二十年來，以鋰離子電池為代表的可充電電池在能量密度方面取得了巨大的突破。然而，由于傳統液態電解質在面對苛刻的電極反應（強氧化還原性環境）和溫度變化時存在化學/電化學不穩定性，它們在正常工作溫度范圍（–20 ℃至55 ℃）之外的安全性和服役壽命仍面臨嚴峻挑戰。

圖1.全球極端溫度引發的電動汽車續航里程焦慮和安全問題示意圖

近日，武漢大學陳朝吉教授聯合湖北工業大學胡培教授、韓國延世大學Sang-Young Lee教授從把握凝膠聚合物電解質開發過程中面臨的主要挑戰出發，系統地總結并討論了寬溫域凝膠電解質的設計原則、可行性、成本和環境影響等一系列因素以及當前取得的重要進展；最后，該綜述對寬溫凝膠電解質未來發展面臨的挑戰及其在材料科學、先進表征、人工智能和環境等方面的創新研究進行展望，對于幫助相關領域研究人員全面了解凝膠電解質的設計理念和發展趨勢、具有重要指導意義。該工作以“Gel Polymer Electrolytes for Rechargeable Batteries toward Wide-Temperature Applications”為題發表在國際頂級期刊《Chemical Society Reviews》上，IF=46.2。文章共同第一作者為Xiaoyan Zhou、Yifang Zhou、Le Yu，共同通訊作者為Chaoji Chen、Pei Hu、Sang-Young Lee。

圖2.基于液體、凝膠和全固態電解質體系實現寬溫域二次電池相關研究工作的年度發表情況

對于電解質而言，溫度對其自身性質和其與電極界面相關性質都具有顯著影響，當溫度超出電解質正常工作溫度范圍時，電解質會發生不可逆的化學反應（如高溫氧化分解）或物理變化（如低溫環境中凝固導致電導率驟降）導致電池性能迅速失效甚至導致安全事故。因此，適用于寬溫域二次電池的凝膠電解質須具備高的離子電導率、高的目標離子遷移數、寬的電化學穩定窗口、優異的力學性能以及良好的抗凍性和熱穩定性等特點。從二次電池可持續發展的角度來說，凝膠電解質還應繼續朝著低成本及環境友好等方向發展。通過全面分析總結過去相關研究成果及現實需求，該綜述首次嘗試對其中部分性能指標進行了量化，提出滿足低溫應用需求的凝膠電解質在?20 ℃下離子電導率應大于1 mS cm^?1；對于電池低溫和倍率性能至為關鍵的鋰離子遷移數合理的目標應該在0.5~0.7之間。

圖3. 寬溫域二次電池對電解質的關鍵需求

寬溫域凝膠電解質與寬溫域電解液的設計策略在本質上是互通的，主要可以從鹽和溶劑的優化組合（多鹽、共溶劑、高熵體系等）、新鹽和新溶劑體系設計（多功能鹽、氟化溶劑等）、添加劑（小分子成膜劑、輔鹽等）等方向著手。同時，作者也綜述了當前熱點研究方向如高鹽、多鹽、高熵電解液基凝膠電解質在制備和實現電池寬溫域工作時可能面臨的成分相容性、結構穩定性和生產成本等問題，并對未來可能的發展方向進行了展望。最后，作者重點闡釋了通過骨架結構設計調控目標離子的溶劑化結構、離子與聚合物鏈之間的相互作用來優化凝膠電解質的離子傳輸性能及電化學穩定性，為拓展二次電池的工作溫域帶來的巨大發展機遇。

圖4. 基于聚合物骨架結構設計調控離子溶劑化行為和遷移方式的3種常見策略

作者認為，相比于傳統的液體電解液和研究更為深入的固態聚合物電解質，凝膠電解質在離子傳輸機理、凝膠骨架與液體組分微觀相互作用方面的研究還不成熟，機理解釋也存在較大爭議，加之溫度這一變量的引入會進一步放大問題的復雜性。因此，在未來凝膠電解質的開發設計工作中，研究人員應該進一步豐富研究手段，實現從非原位-原位-工況研究的逐漸過渡，進一步夯實相關研究結論的可靠性。此外，材料科學中的大數據驅動和人工智能方案也為加速，變革凝膠電解質研究及實現寬溫二次電池提供了新的機遇。最后，作者還對如何從原料選擇、凝膠制備、回收、再利用等方面進一步降低凝膠電解質的成本和環境影響進行了展望，這對推動二次電池相關產業的可持續發展具有重要的指導作用。

圖5. 寬溫凝膠電解質的變革發展方向展望

原文：Gel Polymer Electrolytes for Rechargeable Batteries toward Wide-Temperature Applications. Chem. Soc. Rev., 2024. (DOI: 10.1039/d3cs00551h)

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/d3cs00551h

陳朝吉教授簡介：武漢大學資源與環境科學學院教授，環境科學與工程系副系主任，武漢大學-達雅生物基環境友好新材料聯合研發中心主任，新型功能涂層材料湖北省工程研究中心主任，武漢大學X-Biomass課題組負責人。長期從事生物質材料（木材、竹材、纖維素、甲殼素等）的多尺度結構設計、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解決可持續發展面臨的材料-能源-環境挑戰。在Nature、Science、Nature Reviews Materials、Nature Sustainability等雜志發表學術論文100余篇，總引用27,000余次，H因子90，超過五分之一的論文（41篇）入選ESI高被引論文，13篇（曾）入選熱點論文。獲科睿唯安“全球高被引科學家”（2021-2023連續三年入選材料科學領域）、斯坦福大學“全球前2%高被引科學家”終身影響力榜單、麻省理工科技評論亞太區“35歲以下科技創新35人”、“中國化學會纖維素專業委員會青年學者獎”、“中國新銳科技人物卓越影響獎”、阿里巴巴達摩院“青橙優秀入圍獎”、“R&D 100 Awards”、“全國百篇最具影響國際學術論文”等榮譽。擔任The Innovation Materials學術編輯，The Innovation、Research、SusMat、Environmental Science & Ecotechnology、Green Carbon、Batteries、Molecules等雜志編委/青年編委，以及中國化學會纖維素專業委員會委員。

團隊招聘：目前武漢大學陳朝吉教授課題組亟需新生力量（碩士研究生、博士研究生、聯培生、博后、預聘崗研究員系列及固定崗講師/副教授）加入，歡迎具有高分子化學、材料、能源環境或理論計算相關背景的同學和學者加入團隊（http://biomass.whu.edu.cn）。現課題組擬招聘2名博士后，年齡原則上不超過35歲，卓越博士后年薪35-40萬、重點資助博士后年薪25-30萬（特別優秀者面議），另有科研獎勵。感興趣者歡迎直接聯系陳朝吉教授（chenchaojili@whu.edu.cn）進一步咨詢，郵件附上簡歷及1-2篇代表性學術論文并注明應聘。課題組網站：http://biomass.whu.edu.cn

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（責任編輯：xu）

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