水電解質(zhì)具有良好的環(huán)境友好性和良好的離子導(dǎo)電性，是商用有機(jī)電解質(zhì)很有前途的替代品。然而，它們的工作電壓窗口很窄(1.23 V)，因此產(chǎn)生的能量密度不足。鹽中水電解質(zhì)(WiSEs)被認(rèn)為是一種新的方式，可以獲得良好的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性，并具有廣闊的發(fā)展前景(3.0 V的水電池)。在WiSEs中，高濃度的雙鋰(三甲基磺酰亞胺)(LiTFSI) (>20 mol kg -1)有效地使任何可用的水分子與溶解的陽離子形成溶劑鞘結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是，氫氣和氧氣的演化反應(yīng)超出了它們的熱力學(xué)勢。然而，穩(wěn)定的電位窗口和高離子電導(dǎo)率必須滿足超高濃度，這既不現(xiàn)實(shí)也不有效，因?yàn)榭紤]到它們的粘度、成本和溶解度限制。

 

       此外，高粘度加上固有的液體泄漏往往會(huì)限制流量性能和安全性。在WiSEs中，高濃度的LiTFSI形成了一個(gè)多孔網(wǎng)絡(luò)，其中納米水渠保證了離子的傳輸。如果引入非本征離子通道將離子在高離子耦合方向上的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿通道的快速輸運(yùn)，制備具有優(yōu)異離子導(dǎo)電性和高速率性能的WiSE型電解質(zhì)是有希望的。

 

       吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院湯鈞教授和材料學(xué)院張偉教授合作設(shè)計(jì)了一種新型的由聚丙烯酰胺、殼聚糖和四乙氧基硅烷直接共聚而成的聚丙烯酰胺基水凝膠電解質(zhì)(PACH/SiO2)。高濃度WiSEs中的水分子與水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)上豐富的羥基和氨基結(jié)合形成極性電暈，自發(fā)構(gòu)建Li+通道。因此，形成了一種基于PACH/SiO2的超高鹽負(fù)荷WiSE (HiSE)。重要的是，強(qiáng)離子耦合WiSE通過三維通道轉(zhuǎn)化為HiSE，水凝膠的存在將進(jìn)一步降低水的比例，有效抑制不良反應(yīng)的發(fā)生。HiSE為2.6 V的電化學(xué)窗口和51.3 mS cm-1的高離子電導(dǎo)率(WiSEs的5倍)創(chuàng)造了良好的環(huán)境，并具有良好的可操作性和自愈能力。相關(guān)論文發(fā)表于J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 24800–24806，并被評(píng)選為內(nèi)部前封面和熱點(diǎn)文章。

圖1.柔性自愈HiSE的設(shè)計(jì)策略和特性

 

       HiSE顯示出卓越的拉伸性能，鹽攜帶能力，熱穩(wěn)定性和水合能力。當(dāng)浸泡濃度達(dá)到10M時(shí)，凝膠內(nèi)部H2O：Li+≈3:1, 通過差示掃描量熱法和拉曼對(duì)體系中的水進(jìn)行標(biāo)定，解釋所有的水分子全部轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水，并通過理論計(jì)算得出聚合物的水合能力大于離子，揭示了水分子是集合在聚合物骨架上，形成鋰離子通道。

圖2. 模擬的鋰離子通道

 

       利用HiSE集成的雙電層電容器（EDLC）可以產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)秀的9t綜合性能, 比如：高工作電壓 2.2 V, 高電容的140.1 F g-1, 大能量密度23.54 W h kg-1, 和10000圈以后仍然有91.7%的容量保持率。

圖3. 基于HiSE的EDLC的電化學(xué)性能

 

       同時(shí)，集成的AC//LiMn2O4鋰離子電池（ALBs）同時(shí)也展示了HiSE的多功能性。由于電解液的電壓窗口延長，電池具有清晰的插入峰和良好的速率性能 展現(xiàn)出110.7 mA h g-1at 0.1 A g-1。特別地，新型HiSE的靈活性和自愈能力顯著地促進(jìn)了柔性EDLCs和ALBs的應(yīng)用，集成器件表現(xiàn)出優(yōu)異的速率性能。

圖4. 基于HiSE的ALBs的電化學(xué)性能