【會議報告】鋅離子電池水凝膠電解質(zhì)的輻射制備及性能研究

近年來，鋅離子電池因其體積能量密度高(5855mAh?cm^-3)、安全性高和成本低等特點，引起了人們的廣泛關注。水凝膠電解質(zhì)作為一種新型的電解質(zhì)材料，具有高離子傳導率、優(yōu)異的機械性能和熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢。因此，在鋅離子電池中水凝膠電解質(zhì)成為一個研究熱點。

在鋅離子電池中，水凝膠電解質(zhì)主要用作隔膜和電解質(zhì)，用于隔離正極和負極，并在正負極之間形成電解質(zhì)層，以促進離子傳輸和電荷傳輸。與傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)相比，一方面，水凝膠電解質(zhì)具有更好的機械強度和較低的揮發(fā)性，從而提高了鋅離子電池的安全性和穩(wěn)定性；另一方面，水凝膠電解質(zhì)作為一種濕潤的軟材料，其良好的可彎折、拉伸性和界面接觸，使得它成為一種良好的柔性鋅離子電池電解質(zhì)材料。

輻照技術

輻照技術，是一種利用射線與物質(zhì)間的作用，使被輻照物質(zhì)的物理性能和化學組成發(fā)生變化，從而達到改良材料性能目的的技術。整個過程能耗低、無殘留物、清潔環(huán)保，是綠色的加工技術。

材料輻照效應是指在高能射線作用下材料保持其固有物理、化學、機械性能的能力。例如，高分子聚合物受到高能射線輻照時，聚合物分子內(nèi)部會產(chǎn)生電離和激發(fā)，從而導致聚合物發(fā)生一系列物理及化學變化：輻射交聯(lián)——分子鏈之間形成化學鍵；輻射裂解——大分子鏈斷裂；不飽和鍵含量發(fā)生變化；氧化及產(chǎn)生一些陷落自由基；釋放出氣體等。這些變化均可導致聚合物材料結(jié)晶度、硬度、密度、強度、彈性模量等的改變。

水凝膠電解質(zhì)的輻射交聯(lián)

輻射交聯(lián)是將含有交聯(lián)官能團的物質(zhì)(如聚乙烯醇、明膠等)在輻射條件下發(fā)生物理交聯(lián)反應，形成水凝膠。水凝膠充分浸泡鋅鹽溶液，即可得水凝膠電解質(zhì)。

水凝膠是一類親水性的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)凝膠，通常由交聯(lián)的親水聚合物鏈組成，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)吸水膨脹并可保留大量水(可高達其自身重量的2000倍)，但并不會溶于水，所以水凝膠通常看起來柔軟濕潤。聚合物鏈上有大量的親水性官能團，這些基團自身或彼此能產(chǎn)生弱物理相互作用，產(chǎn)生分子間或分子內(nèi)氫鍵，使得大量的溶劑水可以被吸附在網(wǎng)絡中。聚合物鏈上的負電性基團能夠高效地俘獲金屬離子，從而使水凝膠材料與離子之間產(chǎn)生良好的相互作用。這種相互作用使得水凝膠電解質(zhì)具有與水性電解液相近的離子電導率。此外，聚合物網(wǎng)絡鏈之間的交聯(lián)增強了水凝膠電解質(zhì)的抗溶解性，使其在宏觀尺寸上表現(xiàn)出固體的尺寸穩(wěn)定性和可加工性。同時，聚合物鏈基底的選擇不同及構(gòu)筑方式的差異，使得水凝膠電解質(zhì)結(jié)構(gòu)可調(diào)且性能可設計，從而滿足定向需求的柔性鋅離子電池。

針對固態(tài)電池相關的技術、材料、市場及產(chǎn)業(yè)等方面的問題，中國粉體網(wǎng)將于2025年3月18-19日在安徽·蚌埠舉辦2025全固態(tài)電池技術交流大會暨第一屆干法電極技術研討會。為致力于固態(tài)電池技術開發(fā)的企業(yè)，科研院校，以及新能源汽車、儲能、消費電子等終端企業(yè)提供信息交流的平臺，開展產(chǎn)、學、研合作，助推固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。屆時，來自中國科學院上海應用物理研究所的李吉豪研究員將作題為《固態(tài)電池電解質(zhì)的輻射制備及性能研究》的報告。

本研究利用輻射技術制備一系列高分子水凝膠固體電解質(zhì)，并應用于鋅離子電池。以特定高分子材料為基體，經(jīng)輻射引發(fā)交聯(lián)反應并摻雜鋅鹽制得電解質(zhì)。采用多種表征手段分析，結(jié)果顯示該電解質(zhì)具良好親水性與機械性能，其獨特網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)使離子電導率提高，有效促進鋅離子傳輸。在電池應用中，于鋅金屬負極形成穩(wěn)定界面層，顯著抑制枝晶生長，經(jīng)多次循環(huán)后容量保持率較高，展現(xiàn)出輻射技術在提升鋅離子電池性能方面的巨大潛力與應用前景。

專家介紹：

李吉豪，理學博士，中科院上海應用物理所研究員，碩導，輻射化學與應用課題組組長。在國際期刊發(fā)表論文60余篇，授權(quán)發(fā)明專利10余項。上海市科普協(xié)會青年專家，中國核學會輻射應用分會理事，全國絕緣材料標委會熱縮分委會委員，上海核學會第二屆“楊福家核科技科學普及獎”獲得者。主要從事新能源新材料研究，輻射技術研究與應用。

參考來源：

蔣海青、李吉豪等《鈷源與加速器輻照效應及輻照加工試驗綜合平臺》

章煒等《柔性鋅離子電池水凝膠電解質(zhì)研究進展》

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