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陈军院士Angew: 多光谱表征揭示准固态聚合物电解质离子导电机理
时间:2026-03-27 21:58:44
陈军院士Angew: 多光谱表征揭示准固态聚合物电解质离子导电机理
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南开大学陈军院士等人通过多光谱表征结合第一性原理计算,揭示了准固态聚合物电解质(QPE)的离子导电机理,发现其溶剂存在状态、离子迁移机制与高浓度电解液相似,为QPE在安全高能电池中的应用提供了理论支持。研究背景与问题提出准固态聚合物电解质(QPE)由锂盐、聚合物基体和溶剂组成,具有提高电池安全性和能量密度的潜力。然而,其离子传导机制、溶剂分子存在形式及组分间相互作用尚不明确,制约了QPE的优化与应用。图1. QPE的组成(PVDF-HFP、LiTFSI和G4)分子式及表征研究方法与模型选择研究团队以聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)为聚合物基体、二氟甲烷亚砜锂(LiTFSI)为锂盐、四甘醇(G4)为溶剂,构建了具有良好电化学稳定性的QPE模型。通过以下方法展开研究:多光谱表征:结合差示扫描量热仪(DSC)和偏光显微镜,分析溶剂存在状态。第一性原理计算:探究组分间相互作用及离子迁移机制。活化能实验:验证Li+溶剂化/去溶剂化过程的动力学特征。关键发现与机理阐释溶剂存在状态的差异传统液态电解液中,溶剂分子以自由态存在;而QPE中,部分G4分子通过强相互作用与聚合物基质完全熔融,形成束缚态;其余G4分子保持类似液态的自由态,溶解Li盐形成局部高浓度Li+区域。这种结构导致QPE中溶剂的物理状态呈现“束缚-自由”双模式共存,区别于传统电解液的单相自由态。离子迁移机制自由态G4分子溶解Li盐后,形成与高浓度电解液相似的Li+溶剂化结构,即Li+被多个溶剂分子(如G4)配位,形成局部高浓度区域。离子迁移通过溶剂化/去溶剂化过程实现:Li+从高浓度区域脱离溶剂鞘(去溶剂化),通过聚合物基质中的自由体积或通道迁移至另一高浓度区域(再溶剂化)。实验测得QPE的离子电导率为0.464×10?3 S cm?1,接近液态电解液水平,验证了快速离子迁移的可行性。活化能实验验证通过测量Li+溶剂化/去溶剂化过程的活化能(Ea),发现QPE的Ea值与高浓度电解液相近,表明两者离子迁移的动力学过程相似。这一结果支持了QPE中“局部高浓度Li+区域促进离子跳跃”的导电机理。图2. Li+ 溶剂化/去溶剂化的活化能实验验证研究意义与应用前景理论突破:首次通过多光谱表征和计算模拟,揭示了QPE中溶剂的“束缚-自由”双模式共存现象及其对离子迁移的影响,完善了准固态电解质的导电机理模型。技术指导:为优化QPE组分设计(如选择合适聚合物基体、溶剂分子)提供了理论依据,例如通过调控溶剂与聚合物的相互作用强度,可进一步优化离子电导率与机械性能的平衡。应用推动:QPE兼具固态电解质的安全性和液态电解质的高离子电导率,有望应用于高能量密度锂金属电池、固态锂电池等领域,提升电池的循环稳定性和安全性。总结陈军院士团队的研究通过多尺度表征与计算,系统阐明了QPE的离子导电机理,揭示了其溶剂存在状态与高浓度电解液的相似性,为准固态电解质的设计与应用奠定了科学基础。这一成果不仅推动了电解质材料领域的理论发展,也为下一代安全高能电池的技术突破提供了关键支持。参考文献:A new insight into the ionic conduction mechanism of quasi-solid polymer electrolyte through multispectral characterizations, Angewandte Chemie International Edition 2021. DOI: 10.1002/anie.202107648
时间:2026-03-27 21:58:46
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