港媒：凝胶聚合物电解质显“神效”中国科学家将锂电池寿命延长两倍
据香港《南华早报》网站11月4日报道，中国科研人员开发出一种新技术，可以让传统锂离子电池的使用寿命延长两倍，并降低起火风险。
科研人员说，这项技术用具有凝胶状聚合性的新物质取代电池的化学溶液，可以规模化生产，从而立即应用于中国蓬勃发展的电动汽车行业。
这项研究由北京化工大学于乐教授和李念武副教授牵头，同行评议期刊《先进功能材料》杂志上周公布了研究细节。
报道称，由于电池容量会随着反复充电和放电而降低，电池使用寿命的关键指标之一是容量保持率，即经过特定周期后放电容量与初始放电容量的比值。
资料图片（视觉中国）
科研人员开展一系列测试来衡量这种新型电池的容量保持性能。
李念武说：“我们对这种电池进行了100%深度的放电。这个过程实际上有损电池的生命周期，但能有效暴露问题。”
他解释说：“经过300轮100%深度的充电和放电后，我们的电池容量保持在92%，而传统电池的容量只剩30%。”
科研人员说，这一成就令人鼓舞。它表明，与采用最先进技术制造的电池相比，这种新型电池的寿命明显更长。
他们在论文中说，这种电池可以应用于电动汽车电池或无人机等行业场景，以延长其使用寿命。
于乐和李念武开发出半固态、半液态的凝胶聚合物电解质，作为锂电池的一种新型填充材料。
科研人员说，凝胶聚合物电解质处于中间态，所以能结合传导性和安全性方面的优势。
报道指出，凝胶聚合物电解质由纳米大小的二氧化硅和纳米粒子作为无机填料组成，其中纳米纤维充当纳米粒子的基质。科研人员还利用一种类似果冻的材料来填补孔隙之间的空白。
纳米二氧化硅和纳米粒子会刺激锂和化学物质中带电离子的运动，因此能提高传导率。科研人员说，这种由凝胶类材料填充、具有高空隙率的微纳米结构可以促进离子自由迁移。
这种纳米粒子还能提高凝胶聚合物电解质的防火性，因为它们不易燃。
纳米纤维则具有高空隙率，支撑并提升了电池内部结构的灵活性。
科研人员说，所有这些特点使这种新型电解质更加稳定且具备额外性能。
李念武说：“中国正在领跑高能量密度电池的开发，比亚迪和宁德时代在这一领域非常出色。但电池爆炸和安全问题仍受到全球关注。”
他还说：“很多科研人员正在以不同路径解决问题，提供了多种选项，包括用固体陶瓷或纳米复合材料取代电解质。我们的凝胶聚合物电解质是其中一个选项。”
来源：参考消息网
高缠结水凝胶电解质助力高倍率水系锌离子电池
研究背景
柔性水性锌离子电池因高安全性、超强柔韧性、低成本、简单的制造工艺等优点，成为下一代安全储能和可穿戴电子设备的重要候选材料。然而，传统水凝胶电解质组装的水系锌离子电池具有倍率性能较差、动力学缓慢、离子电导率低等缺点，难以实现电池快速充放电的应用。
研究内容
近日，河北大学沈照熙博士、张宁教授和香港城市大学洪果教授等研究人员在 Advanced Functional Materials (IF=18.2)发表了题为“Highly-entangled hydrogel electrolyte for fast charging/discharging properties in aqueous zinc ion batteries”的研究论文。 本文主要基于对高缠结水凝胶电解质的设计，并将其应用于水系锌离子电池中，主要设计亮点在于：1. 增强了凝胶网状结构的延伸性及链结构之间的缠结度；2. 降低了链结构之间由交联引起的阻碍作用；3. 构筑了离子快速传输通道。通过高缠结水凝胶电解质的设计，改善了传统水凝胶电解质的弱点，所合成的高度缠结的聚丙烯酰胺水凝胶，可以显著提高电解质的离子传输和机械稳定性，且具有较高的离子电导率、较强的弹性模量和较长的保质期。所组装的Zn//HE-PAM//MnO2电池可以维持高倍率及长循环性能，尤其，可在最高电流密度下(35 A g−1)进行充放电循环。此外，该凝胶电解质也支持质子电池在最高电流密度80 A g−1条件下进行快速充放电，优于先前报道的工作。本文推进了凝胶基电解质的水系锌离子电池在快速充放电方面的发展。河北大学化学与材料科学学院沈照熙博士与澳门大学应用物理有材料工程研究院刘煜和李中恒为本论文共同第一作者。
研究内容
图1. 传统法PAM(C-PAM)和高缠结PAM(HE-PAM)水凝胶电解质示意图
A-B) C-PAM和C-D) HE-PAM水凝胶电解质的内部结构。从C-PAM水凝胶到高质量HE-PAM的改进：E) C-PAM的无序链结构与HE-PAM的长链可拉伸结构；F) C-PAM中的交联链与HE-PAM中的高度纠缠链。
图2. HE-PAM和C-PAM水凝胶电解质的形态表征和力学性能
HE-PAM A-C和C-PAM D-E水凝胶的光学图像、表面SEM图和横截面SEM图像。B、C、E的比例尺分别为20、20、5μm。F)两种水凝胶的傅里叶红外光谱曲线比较。G)两种水凝胶在大电流冲击前后的电化学阻抗谱曲线，H)力学测试和I)弹性模量计算比较。
图3. 不同电解质下锌/锌对称电池和锌/二氧化锰全电池的电化学性能
A) HE-PAM和C-PAM电解质组装的对称Zn/Zn电池在0.1 mA cm−2和0.1 mA h cm−2条件下的电压曲线。B) Zn//HE-PAM//MnO2电池在5 mV s−1时的循环伏安曲线。C) Zn//HE-PAM//MnO2电池在10 A g−1条件下的循环性能和D)倍率性能。E) 1天、F) 1个月、G) 6个月后HE-PAM与C-PAM水凝胶电解质基和水系电解液基Zn/MnO2电池的容量保持测试。
图4. HE-PAM水凝胶电解质对质子电池电化学性能的影响
A) CuHCF/H2SO4-水凝胶半电池在1 ~ 80A g−1电流密度下的倍率性能。实心和空心符号分别表示放电和充电过程的比容量。B)对应A图中不同电流密度下的恒流充放电曲线。C)在电流密度为50 A g−1时，HE-PAM基质子电池的循环性能。实心符号和空心符号分别代表放电和充电过程的比容量。D)电流密度为50 A g−1时，HE-PAM基质子电池的初始充放电曲线。
文献信息
Zhaoxi Shen, Yu Liu, Zhongheng Li, Ziqing Tang, Jun Pu, Lei Luo, Yu Ji, Junpeng Xie, Zheng Shu, Yagang Yao, Ning Zhang*, Guo Hong*,
Advanced Functional Materials, 2024, DOI:10.1002/adfm.202406620
全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202406620
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