牛志强课题组Angew：智能热敏自保护水系锌离子电池

danjuan

水系锌离子电池由于其低成本、高理论比容量等优势引起了人们的广泛关注。然而，在快速充放电过程中，锌离子电池内部通常会产生大量热量，引发热失控现象，造成其电化学性能不可逆衰减。因此，需要开发智能自保护的锌离子电池。一般情况下，可利用溶胶-凝胶转化型热敏电解质来实现储能器件的自保护，然而不稳定的自恢复能力限制了其应用。聚（N-异丙基丙烯酰胺）(PNIPAM)基水凝胶是一类具有多孔网络结构的热响应聚合物。当温度超过其体积相变温度（VPTT）时，由于PNIPAM链的分子内氢键的形成，PNIPAM基水凝胶的多孔结构会发生收缩，因此能够控制电解质离子在电极间的迁移，并能够实现电化学储能器件的自保护。而且，当冷却至室温后，由于PNIPAM链的分子构型得以重筑，PNIPAM基水凝胶的多孔网络结构重现，展现了高度可逆性以及热开关性。

       受此启发，南开大学牛志强教授课题组通过原位聚合、电解液置换的策略设计了PNIPAM/AM-5热开关聚合物凝胶电解质。通过将其涂覆在玻璃纤维隔膜（GF）上，获得一种智能的热开关隔膜（PNIPAM/AM-5@GF）。当温度升高时，由于强烈的疏水缔合和脱水反应，该热开关隔膜由开孔状态转变为封闭状态，且发生亲水性向疏水性的界面润湿性转变。得益于疏水性和闭孔结构，PNIPAM/AM-5@GF热开关隔膜高温时能够有效阻碍锌离子的迁移。而且，即使在多次的加热/冷却过程下，这种结构演变和亲疏水转变仍是高度可逆的。因此，基于PNIPAM/AM-5@GF热开关隔膜的水系锌离子电池展现了智能热响应行为并能够实现在高温下的自保护。这项工作为设计其他具有安全、可控能量输送的水系电化学储能体系提供了借鉴和指导。

       论文信息：Thermal‐Gated Polymer Electrolytes for Smart Zinc‐Ion Batteries Zhu Jiacai，Yao Minjie，Huang Shuo，Tian Jinlei，Niu Zhiqiang  Angewandte Chemie International Edition
       DOI: 10.1002/anie.202007274


       文章来源：南开大学
      牛志强，南开大学化学学院研究员、博导、南开大学“百名青年学科带头人”； 2010年博士毕业于中国科学院物理研究所（导师：解思深院士），2010年-2014年在新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院从事博士后研究（合作导师：陈晓东教授）；2014年通过南开大学“人才特区”入职南开大学化学学院。近年来，在碳纳米材料的可控组装、功能化及新型储能器件的设计组装方面取得了系列创新性研究成果，已在Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Nano Letters, Advanced Energy Material等国际期刊发表论文40余篇，申请多项国内和国际发明专利，参与编写三部英文著作章节，现主要从事碳纳米材料及新储能器件的基础与应用研究。