基于介孔石墨烯微球交联点构筑高模量高离子电导率凝胶电解质结构

This project is designing to introduce the inorganic nanocrystal superlattice derivate material, mesoporous graphene spheres, into polymer gel electrolyte system, to achieve polymer gel with improved ion conductivity and modulus, by graphene spheres crosslinking polymer chain inside. This project will explore the influence and effect of the mesoporous graphene spheres on the physical and chemical properties of polymer gel structure, to finally obtain a modified polymer gel with high ion conductivity and modulus, and investigate its research value on energy storage. The mesoporous graphene sphere in this project will not only increase the porous ratio of polymer gel by introducing mesoporous structure, but also performing as the crosslinking point to improve the modulus of the polymer gel. The porous structure in polymer gel will increase the electrolyte uptaking ability and provide more space for the polymer chain movement, and finally improve the ion conductivity. Furthermore, the polymer chain will orderly arrange in the interconnected highly ordered mesoporous structure, which will shorten the lithium ion transport path, and increase the Li+ transference number. The ionic conductivity obtained in primary research has already reached 1x10-3 s cm-1. This project will provide practical exploration for fabricating polymer gel material with specific structure and function, and pave a new way on designing hybrid composite structure of organic and inorganic materials.

本项目拟将无机纳米晶自组装衍生物介孔有序石墨烯微球结构引入凝胶聚合物体系当中，设计构筑高分子链段贯穿介孔石墨烯微球交联而成的凝胶结构，以同时改善凝胶的离子电导率及模量。探讨介孔石墨烯微球对所得凝胶结构物理化学性能的影响及作用机制，以得到高离子电导率、高模量的凝胶电解质材料并考察其储能领域的研究价值。本项目设计中介孔石墨烯微球不仅可以通过引入介孔结构等方式大幅提高凝胶的孔隙，以提高凝胶的吸液储液能力并为聚合物链段运动提供空间以提高凝胶的离子电导率，还将作为聚合物交联点增强凝胶结构的模量。同时，由于其特殊的介孔有序贯通结构，聚合物链段将在其内部形成有序排列，有助于缩短锂离子传输路径提高锂离子迁移数。初期研究所得离子电导率已达到1x10-3 s cm-1。该研究可为构建及制备特定结构及功能的凝胶材料提供实践探索，并为新型有机无机杂化复合材料的构筑提供新的思路。

凝胶电解质优异的储液能力可以有效提高电池使用过程中的安全性能。但是，电解质高储液量会导致凝胶力学下降，从而降低电解质与电极的界面稳定性并引发短路等安全问题。本项目拟设计具有高离子电导率、优异的机械性能的凝胶电解质，以应用于电池体系当中，得到具有高电化学性能的锂离子电池及水系电池。具体研究内容包括：（1）通过亲疏水单体共聚设计了防溶胀的锂离子电池用凝胶电解质，可以在维持高储液能力的同时保持凝胶的机械性能稳定。得到的凝胶兼具抑制枝晶的性能，并可以在高电流密度下保持全电池的高比容量和循环稳定性；（2）聚合物官能团可以通过锂键及静电相互作用等方式与多硫离子结合，抑制其穿梭效应，提高锂硫电池性能，但官能团内部相互作用削弱了其对多硫离子的束缚效果。通过共聚具有强氢键作用及强静电相互作用的单体，有效降低了官能团间的相互作用，提高了聚合物对多硫离子穿梭的抑制效果。应用于锂硫电池时可大幅提高正极负载量，并改善了锂硫电池的循环稳定性及倍率性能；（3）研究了聚合物官能团和锂离子间的锂键作用与聚合物电解质力学及离子电导率之间的构效关系。通过调节聚合物官能团与锂离子间的比例，构筑了具有优异力学性能及离子电导率的聚合物电解质，表现出优异的抑制枝晶性能和全电池循环稳定性；（4）将凝胶电解质的设计扩展到水系电池领域。调控聚合物链段、电解质盐及水分子间的相互作用，同时调节凝胶电解质力学、离子电导率及抗冻性能，相应电池具有优异的抑制枝晶等副反应的能力并在宽温度范围内可以表现出高循环稳定性及比容量。本项目有效设计了多种兼具高力学性能及离子电导率的聚合物电解质，并阐明了其具体机制，为设计新型高安全及电化学性能电池提供了研究基础及新的思路。