同济大学王启刚教授《先进材料》：聚合物凝胶中过饱和析晶造就的新型固态电解质

随着电化学储能技术的快速发展，越来越多的研究者开始关注如何提高器件的安全性。发展非液态电解质能有效的解决传统液态电解质容易泄露，封装困难等问题，是目前提高电化学储能器件安全性的重要研究方向。目前已开发的常见非液态电解质主要有陶瓷电解质，聚合物电解质，水凝胶电解质等。这些电解质虽然都能在一定程度上提高器件安全性，但依然存在着各种各样的问题和挑战，比如水凝胶电解质就面临着电压窗口低，工作温度范围窄，机械强度低等问题。同样的，陶瓷电解质的界面相容性差，聚合物电解质的离子电导率低也都是亟待解决的挑战。如何制备一种具有优异综合性能的电解质，已经成为电化学储能研究者需要面对的共同课题。

近日，同济大学化学科学与工程学院王启刚教授课题组利用可溶盐（如醋酸钠等）过饱和析晶的原理在普通的水凝胶基础上开发了一种全新的“结晶型聚合物凝胶电解质”（crystal-typepolymer gelelectrolyte），并研究了其在超级电容器中的性能。这种结晶型凝胶电解质的制备主要分为两步，首先是通过加热在前驱液中溶解过量的盐，并形成含有过饱和盐的水凝胶电解质；之后通过加晶种引发水凝胶内部的过饱和盐定向结晶，得到结晶型凝胶电解质。与其它非液态电解质相比，结晶型凝胶电解质具有诸多优势，展现了优异的综合性能。

1）引入具有规整结构的结晶盐极大地增强了凝胶的机械强度，使结晶型凝胶电解质的最大压缩模量可以达到474.24 MPa，是水凝胶电解质的近26000倍，确保了储能器件的机械安全性。

2）凝胶内部依然存在的饱和盐溶液使结晶型凝胶电解质不需要添加另外的电解质盐就具有较好的导电性，而导向的晶柱结构又为离子迁移提供了快速迁移通道，使其离子电导率（>10-3 S/cm）远高于常规的陶瓷电解质和聚合物电解质。

3）结晶盐对结晶水的束缚作用，有效抑制了水的电化学活性，使结晶型凝胶电解质的电压窗口可以达到2 V，远高于普通的水系电解质，提高了能量密度。

4）高浓度的盐含量能降低电解质冰点，并提高其沸点，使结晶型电解质在−40~ 80 °C都能正常工作，拓宽了工作温度范围。

5）利用结晶盐溶解-重结晶的特点，通过简单的表面润湿处理，就可实现结晶盐电解质表面的强度转换，使其与电极材料有良好的界面接触，改善界面性能。

6）醋酸钠是常见的相变材料，在溶解和结晶过程中伴随着相应的吸热和放热现象，这种相变性质赋予了结晶型凝胶电解质独特的热缓冲性能，使其即使在极端温度环境中（火焰，液氮）也可以有效减缓电解质和器件的温度变化，确保在短时间内正常工作。这一特性在实际应用中将展现重大安全价值，尤其是在面临火灾等突发灾难时将具有防灾的现实意义。

相关研究工作近期在Advanced Materials上发表，同济大学化学科学与工程学院直博生魏俊杰为第一作者，王启刚教授为通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的支持。

参考文献：

Junjie Wei, Gumi Wei, Yinghui Shang, Jie Zhou, Chu Wu, and Qigang Wang，Dissolution–CrystallizationTransition within a Polymer Hydrogel for a Processable Ultratough Electrolyte，Adv. Mater. 2019, 1900248.  DOI: 10.1002/adma.201900248