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分子“滑轮”粘合剂——论锂离子电池性能取得的突破

来源:钜大LARGE    2018-05-16    点击量:38

  在电池界中硅阳极受到极大的关注,与当前使用石墨阳极的锂离子电池相比,它们可以提供3-5倍的更大容量,更大的容量意味着每次充电过后,电池的使用时间更长,这能显著延长电动车辆的行驶里程。尽管硅丰富而廉价,但Si阳极的充放电循环次数有限,在每个充放电循环期间,它们的体积会大大扩大,甚至其电容的衰减,会导致电极颗粒产生断裂或电极膜的分层现象。

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  【图注】分子滑轮粘合剂的工作原理。

  由JangWookChoi教授和AliCoskun教授领衔的KAIST研究小组于7月20日报道了一种用于硅阳极锂离子大容量电池的分子滑轮粘合剂。

  KAIST团队将分子滑轮(称为聚轮烷)整合到电池电极粘合剂中,包括在电池电极中加入聚合物,以便将电极附着到金属基底上。将聚轮烷中的环拧入聚合物骨架中,并且可以沿骨架自由移动。

  聚轮烷中的环可以随着硅颗粒的体积变化而自由移动,环的滑动可以有效地保持Si的颗粒形状,使其不会在连续的体积变化过程中崩解。值得注意的是,由于聚轮烷粘合剂具有高弹性,即使粉碎的硅颗粒也能保持聚结状态。新粘合剂的功能与现有的粘合剂(通常是简单的线性聚合物)形成鲜明对比,现有的粘合剂弹性有限,因此不能牢固地保持颗粒形状。以前的粘合剂会使粉碎的颗粒发生散射,会使得硅电极降低甚至失去其容量。

  作者认为这极好地显示了基础研究的重要性,Polyrotaxane去年凭借“机械债券”这个概念获得了诺贝尔奖。“机械结合”是一个新确定的概念,可以添加到经典化学键中,如共价键,离子键,配位键和金属键。长期的基础研究正在以意想不到的速度,逐步解决电池技术方向长期存在的挑战。作者还提到,他们目前正在与一家大型电池制造商合作,将其分子滑轮集成到实际的电池产品中。

  西北大学2006年度NobleLaureate化学奖得主FraserStoddart爵士还补充说:“机械式债券在储能环境中首次复苏,KAIST团队巧妙地使用滑环聚轮烷中的机械粘合剂,在α-环糊精环螺旋的聚乙二醇上的功能化,标志着市场上锂离子电池性能的突破,当带有机械粘合剂的滑轮状聚合物取代仅有单独化学键的常规材料,这种物理键会给材料性能以及设备性能带来极为显著的影响。”

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