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  隨著電化學(xué)儲能技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的研究者開始關(guān)注如何提高器件的安全性。發(fā)展非液態(tài)電解質(zhì)能有效的解決傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)容易泄露，封裝困難等問題，是目前提高電化學(xué)儲能器件安全性的重要研究方向。目前已開發(fā)的常見非液態(tài)電解質(zhì)主要有陶瓷電解質(zhì)，聚合物電解質(zhì)，水凝膠電解質(zhì)等。這些電解質(zhì)雖然都能在一定程度上提高器件安全性，但依然存在著各種各樣的問題和挑戰(zhàn)，比如水凝膠電解質(zhì)就面臨著電壓窗口低，工作溫度范圍窄，機(jī)械強(qiáng)度低等問題。同樣的，陶瓷電解質(zhì)的界面相容性差，聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率低也都是亟待解決的挑戰(zhàn)。如何制備一種具有優(yōu)異綜合性能的電解質(zhì)，已經(jīng)成為電化學(xué)儲能研究者需要面對的共同課題。

  近日，同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院王啟剛教授課題組利用可溶鹽（如醋酸鈉等）過飽和析晶的原理在普通的水凝膠基礎(chǔ)上開發(fā)了一種全新的“結(jié)晶型聚合物凝膠電解質(zhì)”（crystal-type polymer gel electrolyte），并研究了其在超級電容器中的性能。這種結(jié)晶型凝膠電解質(zhì)的制備主要分為兩步，首先是通過加熱在前驅(qū)液中溶解過量的鹽，并形成含有過飽和鹽的水凝膠電解質(zhì)；之后通過加晶種引發(fā)水凝膠內(nèi)部的過飽和鹽定向結(jié)晶，得到結(jié)晶型凝膠電解質(zhì)。與其它非液態(tài)電解質(zhì)相比，結(jié)晶型凝膠電解質(zhì)具有諸多優(yōu)勢，展現(xiàn)了優(yōu)異的綜合性能。

• 1）引入具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的結(jié)晶鹽極大地增強(qiáng)了凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，使結(jié)晶型凝膠電解質(zhì)的最大壓縮模量可以達(dá)到474.24 MPa，是水凝膠電解質(zhì)的近26000倍，確保了儲能器件的機(jī)械安全性。

• 2）凝膠內(nèi)部依然存在的飽和鹽溶液使結(jié)晶型凝膠電解質(zhì)不需要添加另外的電解質(zhì)鹽就具有較好的導(dǎo)電性，而導(dǎo)向的晶柱結(jié)構(gòu)又為離子遷移提供了快速遷移通道，使其離子電導(dǎo)率（>10^-3 S/cm）遠(yuǎn)高于常規(guī)的陶瓷電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)。

• 3）結(jié)晶鹽對結(jié)晶水的束縛作用，有效抑制了水的電化學(xué)活性，使結(jié)晶型凝膠電解質(zhì)的電壓窗口可以達(dá)到2 V，遠(yuǎn)高于普通的水系電解質(zhì)，提高了能量密度。

• 4）高濃度的鹽含量能降低電解質(zhì)冰點，并提高其沸點，使結(jié)晶型電解質(zhì)在?40 ~ 80 °C都能正常工作，拓寬了工作溫度范圍。

• 5）利用結(jié)晶鹽溶解-重結(jié)晶的特點，通過簡單的表面潤濕處理，就可實現(xiàn)結(jié)晶鹽電解質(zhì)表面的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換，使其與電極材料有良好的界面接觸，改善界面性能。

• 6）醋酸鈉是常見的相變材料，在溶解和結(jié)晶過程中伴隨著相應(yīng)的吸熱和放熱現(xiàn)象，這種相變性質(zhì)賦予了結(jié)晶型凝膠電解質(zhì)獨特的熱緩沖性能，使其即使在極端溫度環(huán)境中（火焰，液氮）也可以有效減緩電解質(zhì)和器件的溫度變化，確保在短時間內(nèi)正常工作。這一特性在實際應(yīng)用中將展現(xiàn)重大安全價值，尤其是在面臨火災(zāi)等突發(fā)災(zāi)難時將具有防災(zāi)的現(xiàn)實意義。

  相關(guān)研究工作近期在Advanced Materials上發(fā)表，同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院直博生魏俊杰為第一作者，王啟剛教授為通訊作者。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。

  論文鏈接：

  Dissolution–Crystallization Transition within a Polymer Hydrogel for a Processable Ultratough Electrolyte

  Junjie Wei, Gumi Wei, Yinghui Shang, Jie Zhou, Chu Wu, and Qigang Wang Adv. Mater. 2019, 1900248.  DOI: 10.1002/adma.201900248

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201900248