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  鋰離子電池由于輕質(zhì)和高的能量密度被廣泛認為有望應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和混合動力/電動汽車新型的能源存儲設(shè)備。其中，電解質(zhì)在電池性能和調(diào)節(jié)電池使用壽命中扮演著至關(guān)重要的角色。近年來，高充放電倍率下的高電壓電極材料被認為是下一代鋰離子電池技術(shù)的基本組成部分，因此對鋰離子電池的安全預(yù)防措施提出了更高要求。而傳統(tǒng)有機電解液由于易引起火災(zāi)和爆炸等安全問題已經(jīng)不再滿足下一代鋰離子電池的要求。

  聚合物電解質(zhì)由于具有不揮發(fā)性、阻燃性和安全性等優(yōu)點和其循環(huán)過程中寬的電壓窗口、良好的熱穩(wěn)定性以及和電極之間良好的相容性而受到廣泛的關(guān)注。目前，傳統(tǒng)的聚合物電解質(zhì)是雙離子導體，即其中的鋰離子和對應(yīng)的陰離子都是載流子。然而，這種雙離子導體的聚合物電解質(zhì)在充放電循環(huán)中，陰離子的遷移速率要比鋰離子的遷移速率快5到10倍，導致鋰離子遷移數(shù)很低（tLi+ < 0.3）。由于陰離子并不參與電極之間的反應(yīng)，因此低的鋰離子遷移數(shù)會引起電池內(nèi)部的濃差極化從而導致電池能量的衰減和循環(huán)性能。因此，如何限制聚合物電解質(zhì)中的陰離子遷移是解決這一問題的關(guān)鍵。

  通過特定的方式將陰離子固定到高分子鏈上是限制陰離子的遷移的一種有效的途徑。近日，天津大學材料科學與工程學院封偉教授課題組通過乙烯基雙苯磺酰亞胺鋰（SSPSILi）和馬來酸酐（MA）之間的自由基共聚合方式制備了一種新型的交替結(jié)構(gòu)的鋰單離子聚合物鋰鹽（P(SSPSILi-alt-MA)）。研究表明，基于該聚合物鋰鹽的凝膠態(tài)電解質(zhì)薄膜表現(xiàn)出了優(yōu)異的離子電導率（σLi+ = 2.67 mS cm-1）和鋰離子遷移數(shù)（tLi+ = 0.98）。這是由于高介電常數(shù)的MA和SSPSILi的交替排列既促進了鋰離子更加有效的解離出來又使得解離后的“自由”鋰離子在分子層面上達到了均勻分布的狀態(tài)，從而大大提高了鋰離子的遷移數(shù)和離子電導率。另外，該鋰單離子聚合物電解質(zhì)薄膜還表現(xiàn)出了優(yōu)于傳統(tǒng)商用PP隔膜的力學性能和熱穩(wěn)定性。該鋰單離子聚合物凝膠電解質(zhì)與磷酸鐵鋰（LiFePO4）正極和鈦酸鋰負極（Li4Ti5O12）組裝成的全電池相對于傳統(tǒng)的液態(tài)電解液展現(xiàn)出了更加優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，有望應(yīng)用于新一代鋰離子電池。

圖1. P(SSPSILi-alt-MA)合成路線圖及其電解質(zhì)薄膜制備示意圖

圖2. 不同P(SSPSILi-alt-MA)含量的凝膠態(tài)電解質(zhì)薄膜的室溫電導率隨時間的變化（右上為室溫下不同P(SSPSILi-alt-MA)含量的電解質(zhì)薄膜的室溫電導率）

圖3. a) 配有20% P(SSPSILi-alt-MA)含量的電解質(zhì)薄膜的鋰全電池第一圈充放電曲線；配有20% P(SSPSILi-alt-MA)含量的電解質(zhì)薄膜和有機液態(tài)電解質(zhì)/商用隔膜的鋰全電池b) 倍率性能對比；c) Ragone曲線對比；d) 0.5C下循環(huán)性能對比。

  相關(guān)研究成果近期已發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A雜志上（DOI：10.1039/c7ta05787c），第一作者為曹晨博士。

  論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/ta/c7ta05787c