材料科學(xué)與工程教授克里斯多夫·埃文斯(右)和研究生布萊恩·京開發(fā)了一種既可自愈又可回收的固態(tài)電池電解質(zhì)。

這項新的研究可以幫助制造商生產(chǎn)可回收，自我修復(fù)的商業(yè)電池，該研究發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會雜志》上。

研究人員說，當(dāng)鋰離子電池經(jīng)歷多次充放電循環(huán)時，它們會形成微小的樹枝狀固體鋰結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為樹突。這些結(jié)構(gòu)會降低電池壽命，導(dǎo)致熱點和短路，有時還會變大，刺穿電池內(nèi)部，導(dǎo)致電極和電解質(zhì)液體之間發(fā)生爆炸性的化學(xué)反應(yīng)。

研究人員說，化學(xué)家和工程師一直在推動用固體材料(例如陶瓷或聚合物)代替鋰離子電池中的液體電解質(zhì)。然而，這些材料中的許多是剛性且易碎的，導(dǎo)致電解質(zhì)與電極之間的接觸不良以及導(dǎo)電率降低。

材料科學(xué)與工程專業(yè)研究生和該研究的合著者布萊恩·京（Brian Jing）說：“固體離子導(dǎo)電聚合物是開發(fā)非液體電解質(zhì)的一種選擇。但是，電池內(nèi)部的高溫條件會熔化大多數(shù)聚合物，從而再次導(dǎo)致樹枝晶和故障。”

過去的研究已經(jīng)通過使用交聯(lián)形成橡膠狀鋰導(dǎo)體的聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)了固體電解質(zhì)。這種方法延遲了樹枝狀晶體的生長。但是，這些材料很復(fù)雜，損壞后無法回收或治愈。

為了解決這個問題，研究人員開發(fā)了一種網(wǎng)絡(luò)聚合物電解質(zhì)，其中的交聯(lián)點可以發(fā)生交換反應(yīng)并交換聚合物鏈。研究人員說，與線性聚合物相比，這些網(wǎng)絡(luò)實際上在加熱時會變硬，從而可以最大程度地減少枝晶問題。此外，它們在損壞后很容易分解并重新固化成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其可回收利用，并且由于其自愈性，因此在損壞后可以恢復(fù)導(dǎo)電性。

“這種新型的網(wǎng)絡(luò)聚合物還顯示出卓越的特性，即電導(dǎo)率和剛度都隨加熱而增加，這是常規(guī)聚合物電解質(zhì)所沒有的，” 京（Brian Jing）說。

材料科學(xué)與工程學(xué)教授，第一作者克里斯托弗·埃文斯(Christopher Evans)說：“大多數(shù)聚合物都需要強(qiáng)酸和高溫才能分解。我們的材料在室溫下可溶于水，這是一種非常節(jié)能且環(huán)保的工藝。”

研究人員說，研究小組探測了這種新材料的導(dǎo)電性，并發(fā)現(xiàn)其作為有效的電池電解質(zhì)的潛力是有希望的。

埃文斯說：“我認(rèn)為這項工作為其他人提供了一個有趣的測試平臺。” “我們在聚合物中使用了非常特殊的化學(xué)反應(yīng)和非常特殊的動態(tài)鍵，但我們認(rèn)為該平臺可以重新配置以與許多其他化學(xué)方法一起使用，以調(diào)節(jié)電導(dǎo)率和機(jī)械性能。”