中科院青能所崔光磊团队《Angew》：生物启发的高盐水凝胶电解质助力长寿命可充电池

水凝胶电解质在开发柔性安全的电池方面大有可为，但游离溶剂水的存在使电池化学反应受到析氢反应和电极溶解的限制。虽然最大限度地提高盐浓度被认为是降低水活性的有效策略，但传统水凝胶中的原生聚合物基质被氢键占据，几乎不参与盐的溶解，这限制了在聚合物-盐相分离发生之前实现稳定的盐浓度环境。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员受蛋白质甲基化在调节细胞内相分离中的作用的启发，通过甲基化改性将 "惰性"原生聚合物骨架转化为非惰性聚合物骨架，以削弱氢键，从而释放出自由氢键受体作为路易斯碱基位点参与阳离子溶解，从而帮助盐溶解。这种非传统的盐浓度水凝胶电解质的盐分含量高达44摩尔%，同时保留了1.0的Na+/H2O高摩尔比，而且没有发生相分离。此外，几乎所有的水分子都被限制在Na+的溶剂化鞘中，活性和流动性受到抑制，从而解决了水引起的寄生反应问题。因此，组装的Na3V2(PO4)3/NaTi2(PO4)3电池在循环580次后仍能保持82.8%的容量，这是迄今为止报告的最长循环寿命。

文章要点：

1. 这项工作以由聚丙烯酰胺(PAM)、钠盐和计量水组成的典型水凝胶聚合物电解质为例，阐明了聚合物甲基化对改善盐含量限制的影响。

2. 研究显示，甲基化改性通过用-N(CH3)2取代PAM中的氢键供体（-NH2），将质子PAM转化为非质子聚（N，N-二甲基丙烯酰胺）（PDMA），从而大大削弱了分子内和分子间的氢键，并通过聚合物基质中未被占用的-C=O位点提高了Na+的溶解度。

3. 基于上述原理，稳定的水凝胶电解质可以在盐含量高达44摩尔%、盐/H2O摩尔比为1.0的条件下实现，远远超出了传统水凝胶甚至饱和水溶液所能达到的极限。因此，几乎所有的水分子和聚合物单元都被限制在阳离子的初级溶剂化鞘内，从而降低了水的活性和流动性，抑制了电极溶解和自我分解。

4. 因此，在水环境中长期困扰钒基Na+-插入电极和保护性SEI的溶解问题得以解决，从而释放了Na3V2(PO4)3//Na3V2(PO4)3（NVP//NVP）全电池的长循环稳定性，400次循环后容量保持率为89.6%，平均库仑效率（CE）为99.1%。此外，采用优化水凝胶电解质的NVP//NaTi2(PO4)3（NTP）全电池在2 C条件下循环580次后，容量保持率高达82.8%，在最先进的水系钠离子电池（SIB）中循环性能最佳。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202311589

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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