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新型基于聚合物的固态电解质可帮助电池实现自我修复，可回收利用

时间：2021-09-06 19:52:10 来源：

正确的材料科学与工程教授克里斯托弗·埃文斯（Christopher Evans）和研究生布莱恩·京（Brian Jing）已开发出一种可自我修复且可回收的固体电池电解质。

锂离子电池因内部短路而臭名昭著，内部短路会点燃电池的液体电解质，从而导致爆炸和火灾。伊利诺伊大学的工程师已经开发出一种基于聚合物的固体电解质，这种电解质在受损后可以自愈，而且这种材料也可以在不使用刺激性化学物质或高温的情况下进行回收利用。

这项新的研究可以帮助制造商生产可回收，自我修复的商业电池，该研究发表在《美国化学学会杂志》上。

研究人员说，随着锂离子电池经历多次充电和放电循环，它们会形成微小的树枝状固态锂，称为树枝状晶体。这些结构会缩短电池寿命，引起热点和电短路，有时会变得足够大而刺穿电池的内部部件，从而导致电极和电解液之间发生爆炸性化学反应。

研究人员说，化学家和工程师一直在推动用固体材料（例如陶瓷或聚合物）代替锂离子电池中的液体电解质。然而，这些材料中的许多是刚性且易碎的，从而导致不良的电解质与电极接触和降低的导电性。

“固体离子导电聚合物是开发非液体电解质的一种选择，”材料科学与工程专业研究生和研究合著者Brian Jing说。“但是电池内部的高温条件会熔化大多数聚合物，从而再次导致枝晶和故障。”

过去的研究通过使用交联形成橡胶状锂导体的聚合物链网络来生产固体电解质。这种方法延迟了树枝状晶体的生长。但是，这些材料很复杂，损坏后无法回收或治愈。

为了解决这个问题，研究人员开发了一种网络聚合物电解质，其中的交联点可以发生交换反应并交换聚合物链。研究人员说，与线性聚合物相反，这些网络实际上在加热时会变硬，从而可以最大程度地减少枝晶问题。此外，它们在损坏后很容易分解并重新固化成网状结构，使其可回收利用，并且由于其自愈性，因此在损坏后可以恢复导电性。

“这种新型的网络聚合物还显示出卓越的特性，即电导率和刚度都随加热而增加，这是常规聚合物电解质所没有的，” Jing说。

材料科学与工程学教授，第一作者克里斯托弗·埃文斯（Christopher Evans）说：“大多数聚合物都需要强酸和高温才能分解。”“我们的材料在室温下可溶于水，使其成为非常节能且环保的工艺。”

研究人员说，研究小组探究了这种新材料的导电性，并发现其作为有效的电池电解质的潜力是有希望的，但他们承认，要想与目前使用的电池相比，在将其用于电池之前还需要做更多的工作。

“我认为这项工作为其他人提供了一个有趣的测试平台，”埃文斯说。“我们在聚合物中使用了非常特殊的化学反应和非常特殊的动态键，但我们认为该平台可以重新配置为与许多其他化学方法一起使用，以调节电导率和机械性能。”

参考：Brian B. Jing和Christopher M.Evans撰写的“用于可回收的，可自我修复的固态聚合物电解质的无催化剂动态网络”，2019年11月19日，美国化学学会杂志。DOI：
10.1021 / jacs.9b09811

Evans和Jing也隶属于伊利诺伊大学贝克曼高级科学与技术学院。

能源生物科学研究所通过EBI-Shell计划支持了这项研究。

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