基于溶胶-凝胶转变电解质的智能安全可充放电锌离子电池

ScienceBulletin 2022-10-01

论文速递

热失控问题长期阻碍着高能量密度电池的发展。最近，香港城市大学支春义课题组制备了一种基于温敏型溶胶-凝胶转变电解质的可充放电锌锰电池。这种电池在高温下会因电解质的凝胶化而停止工作，而降温后又能重新恢复正常充放电，呈现出动态的电化学性能。相应文章已经在Sci. Bull.第16期刊出。

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热失控问题长期以来是阻碍高能量密度电池发展的绊脚石。这些电池在超快速充放电过程中或者在过充和短路等危险条件下会产生大量热量。为了消散电池中积聚的热量，目前常用的方法是在电池中加入融断器、灭火剂和关闭集流体等物理安全设计。但是，这些方法仅提供一次性保护，一旦温度冷却下来，这些设计都不能使电池自发地恢复到原始工作状态。因此，需要从电池内部出发设计出有效的安全开关从而实现具有动态电化学性能和温度响应型的智能电池。

可逆溶胶-凝胶转变水凝胶由于其对环境温度的智能响应而被广泛研究。它们通常在室温下呈现流体状态，当温度在临界温度以上时会转变为稳定的凝胶状态。这种温敏转变是可逆的，在降温后凝胶能恢复到流体状态，显示出一种有趣的温度响应性。溶胶-凝胶转变聚合物可能是设计智能温敏电池的良好候选材料。

最近，香港城市大学支春义课题组合成了一种由N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸共聚而成的聚合物电解质，并将其与一种可充放电的锌锰电池体系相结合(图1）。当温度加热到超临界温度以上时，电池中的溶胶-凝胶电解质会发生凝胶化转变并抑制锌离子的迁移，从而增大了电池的内阻和降低电池容量，使得电池停止工作。当温度降下来后，凝胶逆转变回液体状态，电池能够恢复到原来的电化学性能。更重要的是，与传统的设计不同，溶胶-凝胶转变电解质赋予了这种温敏电池能在不同温度下呈现出动态的电池性能的特性（放电容量随温度变化而改变），使得电池能够进行智能的热控制（图2）。该项工作证明了通过电解质溶胶-凝胶转变实现电池自我保护的可行性。