超分子聚合物固态电解质的设计、合成与应用
批准号:
22071133
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
刘凯
依托单位:
学科分类:
超分子化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘凯
中文摘要
全固态锂电池被公认为是下一代高能、安全的储能体系,而固态电解质,特别是聚合物固态电解质是其核心成分。理想的聚合物固态电解质材料应具有多功能性和可自适应性,才能满足电池在运行时动态变化的内部环境。本项目拟基于非共价合成,制备超分子聚合物,并将其作为锂电池的固态电解质,发展“超分子聚合物固态电解质”的新概念。其可能的优点有:(1)基于非共价键的“自识别、自组装”特性,超分子聚合物易于多功能化,从而利于高效制备多功能材料,并有望探索新的分子拓扑结构和功能。(2)非共价键“可逆、自适应”的特点利于制备“智能”材料,从而可根据电池的动态需求而“自适应”调整分子结构和功能,解决电解质材料的“静态功能”与电池的“动态需求”之间的不匹配问题。“超分子聚合物固态电解质”这一新的概念是超分子聚合物向实际应用的重要拓展,是传统的共价聚合物电解质的重要补充,将有望发展成为一类新的储能聚合物材料。
英文摘要
All-solid state lithium-ion batteries (LIBs) has been well recognized as the next generation energy storage system due to its high energy density and good safety. The solid electrolyte, especially polymer solid electrolytes, is the key component of all-solid state LIBs. During charging-discharging, the inner environment of LIBs continuously changes. Thus, the ideal polymer solid electrolytes should exhibit adaptive multi-functions to meet the dynamic acquirements of batteries. However, the conventional polymer electrolytes are based on covalent polymers, whose molecular structures and functions are “locked” by covalent bonds and thus could not changes to meet the dynamic acquirements of batteries. Here, we plan to develop a new kind of multi-functional “supramolecular polymer-solid electrolyte” (SPSE) based on the intermolecular noncovalent interactions. The possible advantage of SPSE are listed as follows. (1) The approach of “noncovalent synthesis” to fabricate SPSE is facile and convenient, which could simplify the synthetic efforts compared with the conventional approach of “covalent synthesis”. Moreover, some unique molecular topologies could be obtained based on the noncovalent interactions in SPSE. (2) The reversibility and adaptively of supramolecular chemistry facilitates the fabrication of smart materials whose functions could continuously change adapting to the dynamic environments of the LIBs. Moreover, SPSE could possibly well-organize some “incompatible” functions in conventional covalent polymer electrolytes. It is anticipated that the SPSE will become a new kind of polymer electrolyte for LIBs, which could shed light on the further development of other polymer-based energy storage materials.
多功能聚合物固态电解质的制备是高能安全锂电池进一步发展的关键目标。传统的固态电解质功能单一,难以满足锂电池日益增长的多功能的需求。然而,在设计多功能电解质时,需要考虑以下关键问题:(1)电池的诸多性质,如“高能量密度”、“高安全性”、“低温循环稳定性”等,对于电解质分子的性质要求不同。由于“分子结构决定材料性质”,因此,往往难以将诸多功能集成于同一电解质分子体系中。(2)将多功能分子片段共价集成于同一电解质分子一般需要涉及冗长的共价合成步骤,不仅耗时,还增加了生产成本。因此,如何高效的制备多功能电解质是一个亟待解决的科学问题,也是下一代高能锂电池发展的关键。.我们利用基于“超分子化学”来解决这一问题,发展“超分子电解质”的新概念,探索其在能源材料领域中的应用。与基于共价化学键的传统电解质不同,超分子电解质是基于分子间可逆的非共价键形成的化合物,是“分子化学”与“超分子化学”的交叉科学。由于非共价键的自识别性和自适应性,超分子电解质易于多功能化,并且具有很多特殊的功能,比如自修复性、自适应性、刺激响应性等等。将超分子应用于锂电池电解质有望成为一个新的研究领域,解决锂电池对于多功能的综合需求。.项目执行过程中,我们探索了利用超分子化学构筑多功能“超分子电解质”的可行性,并用此类多功能材料来解决电池“高安全性”和“高能量密度”之间的矛盾问题。制备了超分子聚合物锂盐,突破了传统锂盐的低迁移数、低迁移率的问题,提高固态电解质的锂离子迁移数和机械强度;制备具有“固-液”杂化性质的“自适应”超分子聚合物电解质,解决了锂负极-固态电解质界面的机械和化学稳定性;发展具有特殊拓扑结构的超分子聚合物电解质,制备了具有高锂离子电导率、良好机械性能和阻燃性能的超分子固态电解质。.共发表论文30篇,其中第一标注19篇,包括Nature Energy 2篇,Nature Communications 1篇,Angew Chem Int Ed 1篇,CCS Chemistry 1篇,Advanced Functional Materials 1篇,ACS Nano 4篇,Nano Letters 2篇,ACS Applied Materials & Interfaces 2篇等。其他标注11篇。
高速星上多体制交换技术研究
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批准号:62101300
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项目类别:青年科学基金项目(C类)
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资助金额:30.0万元
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批准年份:2021
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负责人:刘凯
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依托单位:
国内基金
海外基金