Adv. Mater. 热塑性弹性体智能温敏电解质 助力电化学储能器件过热保护
【成果简介】
锂离子电池和超级电容器等电化学储能器件的能量密度、功率密度和循环寿命近20年来已经获得显著提高，但是，其安全性问题尚未得到有效解决。在快速充放电和短路、过充等不当使用的情况下，电化学储能器件由于功率和电流密度高，迅速产生大量的热，器件内部温度和压强快速升高，存在着火甚至爆炸的危险。安全性问题已成为制约大容量电化学储能器件在电动汽车、储能电站等新能源技术领域商业化应用的一大障碍。
热失控是导致电化学储能器件不安全行为的根本原因，因此，建立过热保护机制，防止热失控，是一系列高新技术领域迫切的应用需要。在电池自激发热保护技术方面，目前常用的策略是采用正温度系数电极材料或阻燃性电解液。前者的室温电导率低、漏电流大，应用受到限制；后者由于阻燃剂的大量添加，电解液的离子电导率低，电池的电化学性能差。
美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授课题组，将一种具有可逆溶胶-凝胶转变的热塑性弹性体引入电解液中，进而研发出能够实现电池自激发热保护的智能温敏电解质。实验中采用溶解有H+或者Li+的普朗尼克（Pluronic）水溶液作电解质，低温下，该电解质保持溶胶态，离子能在电极间自由移动；当温度升高时，该电解质变为凝胶态，阻碍离子的移动，进而中断储能器件的电化学过程，实现对器件的有效过热保护。
【图文简介】
图一 基于具有可逆溶胶-凝胶转变的热塑性弹性体的电解质
图(a) 基于温敏凝胶体系的电解质示意图；
图(b) 30wt%的Pluronic溶液在不同温度下的流变行为，图中G’表示储能模量，G’’表示损耗模量；
图(c) 溶胶态和凝胶态的Pluronic溶液实物图。
图二 以P5800作电解质的超级电容在不同温度下的电化学性能
图(a) 不同浓度的分子量为5800道尔顿的Pluronic溶液(P5800)，在不同温度下的G’值；
图(b) 20wt%的P5800在不同温度下的G’值、G’’值；
图(c)-图(f)展示了20wt%的P5800和H2SO4溶液作电解质的扣式超级电容的电化学性能：其中图(c)是20℃下的CV曲线，图(d)是70℃下的CV曲线，图(e)展示了在室温（RT，20℃）和高温（HT，70℃）状态下的充放电测试结果，图(f)则是在室温和高温下的阻抗谱。
图三 以不同分子量的Pluronic溶液作电解质的超级电容的电化学性能
图(a) 不同分子量的Pluronic溶液的溶胶-凝胶转变温度，溶液浓度均为30wt%；
图(b) 不同温度下P4400的流变试验结果；
图(c)(d)展示以P2800为电解质的超级电容在不同扫速下的CV测试结果，其中图(c)的测试温度为20℃，图(d)的测试温度为70℃；
图(e)(f)展示以P4400为电解质的超级电容在不同扫速下的CV测试结果，其中图(e)的测试温度为20℃，图(f)的测试温度为60℃。
图四 以Pluronic溶液作电解质的超级电容的比容量和过热保护机制
图(a)(b)展示了以Pluronic溶液作电解质的超级电容，采用不同电极材料和导电离子，在溶胶态和凝胶态下的比容量，其中图(a)的电解液采用P2800，图(b)的电解液采用P4400；
图(c)(d)展示了以Pluronic溶液作电解质的超级电容的过热保护机制：加热到70℃时，LED灯的亮度显著降低，足以说明高温下电化学过程基本被中断。
图五 Pluronic溶液的流变性能和电化学参数
图(a) 浓度为30wt%的P2800在不同温度下的流变性试验；
图(b) 以30wt%的P2800作电解液的超级电容在不同温度下的CV曲线；
图(c)(d)展示了以30wt%的P2800作电解液的超级电容的循环测试结果，其中图(c)采用聚吡咯（PPy）作电极材料，图(d)采用活性炭（AC）作电极材料；
图(e)显示的是采用不同平均分子量的聚合物和不同导电离子的Pluronic电解液，在溶胶状态和凝胶状态下的离子电导率。
【小结】
余桂华课题组研发出一种智能温敏电解质体系，能够实现电化学储能器件的自激发热保护。他们采用了加热时会迅速发生溶胶-凝胶转变的热塑性弹性体，即商业化的Pluronic。高温下，Pluronic电解质的凝胶化，严重阻碍离子迁移，进而中断电化学过程，实现了对储能器件的有效过热保护。这一设计具有响应快速、效果显著、可逆程度高、温度阈值可调整、成本低廉等优点，可以直接应用于水溶液电解质的电池或者超级电容器。
点我查看此前一个关于余桂华教授的访谈
感谢材料人编辑部王宇提供素材
材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部
文章评论(0)