Advanced Functional Materials:经典聚合物尼龙6在固态电解质领域焕发光彩

固态电池近年来得到了迅速发展,但其界面问题备受诟病。电极和电解质之间的刚性耦合和持续的充放电会导致界面发生严重的微观形变,包括结构错位和接触失效等,使电极材料的活性物质无法被有效利用,最终导致电池的过早失效。开发具有高粘弹特性的聚合物电解质材料可以有效地解决这一难题。尼龙6是一种具有80多年历史的经典高分子材料,它优异的机械性能(包括较好的弹性、延展性、韧性等)和较高的化学稳定性使其在很多领域得到了广泛应用,其中最为人所知的应用当属被年轻女性所钟爱的尼龙丝袜,这些优良的性能主要来源于酰胺官能团本身的特性。此外,电负性的酰基也有望成为离子传递的络合位点,所以对尼龙6进行有效重构可以使其成为具有高粘弹特性的聚合物电解质材料。然而,由丰富氢键规则连接的尼龙大分子链很难被破坏,因此限制了其进一步的结构修饰和可能的离子传输材料应用。

近日,中科院青岛能源所崔光磊课题组和中科院大连化物所侯广进研究员合作,利用高浓的双(三氟甲基)磺酰亚胺锂(LiTFSI)溶液成功解开了尼龙6的分子链,并利用固态核磁、小角X射线散射、傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱等技术具体分析了尼龙6在高浓度LiTFSI溶液中的溶解机理以及新再生的尼龙基聚合物电解质的微观构型。他们发现,由于稀溶液中阳离子通常具有完整的溶剂化结构而很难发挥其路易斯酸性,而在高浓度盐溶液中,TFSI阴离子通过弱配位作用参与了阳离子的溶剂化构成,从而使阳离子的路易斯酸性可以有效发挥出来。尼龙6的溶解正是由于酰胺键中的酰基受到具有强路易斯酸性的阳离子的进攻进而发生配位作用。另一方面,阴离子与阳离子以缔合形式存在的同时,也与胺基以弱氢键的方式进行结合,从而形成了交联网络结构。

由于这种独特的结构,使聚合物电解质呈现出高粘弹特性,而这种高粘弹特性正是解决固态电池界面问题所需要的。此外,研究人员发现尼龙电解质具有良好的电化学性能,包括室温下较高的离子电导率(2.7×10-4 S cm-1),宽的电化学稳定性窗口(> 3 V相对于Zn/Zn2+),在Zn/LiFePO4电池中经过400次循环后,仍然保留了82%的初始容量。实验结果证明,基于尼龙6电解质的一体化固态柔性电池,其中可同步形变的的电解质/电极即使在受到极端外界应力条件下(180°弯曲和5 MPa的压力)和电化学刺激下也能确保紧密接触的兼容界面。

此项研究为固态电解质界面的设计和功能性电解质的开发提供了新的思路。同时,也有利于启发利用绿色溶液对其他经典聚合物(纤维素、木质素、壳聚糖)的再生与利用。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202000347)上。