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新型聚合物材料可助锂电池实现自我修复

锂离子电池因内部经常短路而臭名昭著,内部短路会点燃电池的液体电解质,导致电池爆炸从而引发火灾。近日,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,这种电解质在损坏后可以自愈,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。

这项新的研究可以帮助制造商生产可回收,可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个充电和放电循环,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,造成热点和短路,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。

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,这些材料大多数是刚性且易碎的,会导致电解质与电极之间接触不良以及导电率降低。

该论文合著者Brian Jing说:“固体离子导电聚合物是开发非液体电解质的一种选择。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。”

过去的研究已经通过使用交联形成橡胶状锂导体的聚合物链网络生产了固体电解质,这种方法虽然延迟了树枝状晶体的生长,但是,这些材料很复杂,损坏后无法回收或修复。

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,与线性聚合物相比,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,论文第一作者克里斯托弗·埃文斯说:“大多数聚合物都需要强酸和高温才能分解。而我们的材料在室温下可溶于水,是一种非常节能且环保的工艺。”

研究小组探究了这种新材料的导电性,并发现了其作为有效的电池电解质的潜力,但是他们承认,要与目前使用的电池相媲美,还需要一定的过程。

埃文斯说:“我认为这项工作为其他人提供了一个有趣的测试平台,我们在聚合物中使用了一种非常特殊的化学物质和一种非常特殊的动态键,但我们认为这个平台可以进行重新配置,从而与许多其他化学物质一起使用,能够调整传导率和机械性能。”

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