厦门大学郑南峰《EES》：钛氧簇增强凝胶电解质，攻克锂硫电池“穿梭效应”，电导率提高24倍！ 齐鲁工业大学刘利彬《先进功能材料》高电导率-40°C抗冻两性水凝胶

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本文目录一览：

• 1、厦门大学郑南峰《EES》：钛氧簇增强凝胶电解质，攻克锂硫电池“穿梭效应”，电导率提高24倍！
• 2、齐鲁工业大学刘利彬《先进功能材料》高电导率-40°C抗冻两性水凝胶
• 3、东华大学武培怡和孙胜童课题组Adv. Mater.：离电液晶弹性体纤维实现离子电导率随拉伸上千倍提升

厦门大学郑南峰《EES》：钛氧簇增强凝胶电解质，攻克锂硫电池“穿梭效应”，电导率提高24倍！

厦门大学郑南峰教授在《EES》发表研究：钛氧簇增强凝胶电解质，攻克锂硫电池“穿梭效应”，电导率提高24倍

为解决锂硫电池中的“穿梭效应”及低能量密度问题，厦门大学的郑南峰教授提出了一种创新的解决方案：通过把钛氧簇（Titanium-oxo clusters, TOC）作为增强材料来构建新型的凝胶聚合物电解质（Gel Polymer Electrolyte, GPE）。这一研究成果发表在《Energy & Environmental Science》上，题为“Titanium-oxo clusters reinforced gel polymer electrolyte enabling lithium-sulfur batteries with high gravimetric energy densities”。

研究背景

锂硫电池因其高理论能量密度（2600 Wh kg^-1）而备受关注，但实际应用中面临诸多挑战，其中“穿梭效应”和锂枝晶的形成是导致性能衰减的关键因素。传统的解决方法多集中在电极水平的优化，但这种方法往往导致电池制造过程复杂且能量密度难以提升。因此，开发新型电解质成为解决这一问题的关键。

研究创新

郑南峰教授的研究团队选择聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVFH)作为聚合物基体，并引入了具有环状{Ti32O16}骨架的钛氧簇（TOC）作为增强材料。这种钛氧簇具有多个固有优势，包括合成过程简单、易于分散、在醚基Li-S电解质中稳定以及表面配体易于后功能化等。

通过引入TOC，所开发的PVFH-TOC-PEG电解质不仅具有良好的机械性能，如高弹性恢复能力和拉伸强度，还显著提高了电化学性能。特别是在25℃时，该电解质的锂离子电导率高达8×10^-3 S cm^-1，是PVFH电解质（3.3×10^-4 S cm^-1）的24倍，足以支持锂硫电池在室温下工作。

关键发现

1. 机械性能提升 ：PVFH-TOC-PEG电解质具有类似橡胶的机械韧性，能够在较大形变后保持形貌良好，且可以拉伸到原来长度的5.2倍而不破裂。

2. 电化学性能优化 ：该电解质的电化学稳定性窗口相对于Li+/Li约在5.0 V，高于其他未增强的PVFH基电解质。同时，其高锂离子电导率使得电池在低E/S比和高硫负载量下仍能保持良好的性能。

3. 抑制穿梭效应 ：GPE的准固态特性使其在抑制多硫化物穿梭方面具有明显优势。PVFH-TOC-PEG电解质具有高密度、光滑和无针孔的表面，有效阻止了多硫化物的迁移，从而提高了硫阴极的循环稳定性。

4. 高能量密度 ：在低E/S比（3μL mgs^-1）、高硫负载量（10 mg cm^-2）和低负/正极容量比（1/1）的条件下，该电池可提供423 Wh kg^-1的能量密度，并可持续循环100次。

研究意义

这项研究为高能量密度Li-S电池的研制提供了新的途径。通过引入钛氧簇作为增强材料，不仅提高了电解质的机械性能和电化学性能，还有效解决了锂硫电池中的“穿梭效应”和锂枝晶形成问题。所开发的PVFH-TOC-PEG电解质不仅有利于提高Li-S电池的能量密度，还适用于未来的柔性器件。这种电解质和配体修饰的金属-氧簇的结合将为电化学储能和材料化学领域带来新的机遇。

以上研究成果展示了郑南峰教授团队在锂硫电池电解质领域的创新突破，为推动高能量密度电池的发展做出了重要贡献。

齐鲁工业大学刘利彬《先进功能材料》高电导率-40°C抗冻两性水凝胶

齐鲁工业大学刘利彬《先进功能材料》高电导率-40°C抗冻两性水凝胶

齐鲁工业大学刘利彬教授团队在《Advanced Functional Materials》上发表了一项关于高电导率-40°C抗冻两性水凝胶的研究成果。该研究成功制造了一种新型的两性离子聚合物水凝胶（polySH）电解质，该电解质在-40°C时仍能保持高达12.6 mS cm^-1的电导率，并展现出优异的柔韧性和机械性能。

一、研究背景

随着全球能源需求的增长，高效储能设备的发展变得尤为重要。超级电容器（SC）作为一种新型的能量存储设备，因其快速的充电和放电时间以及较长的使用寿命而备受关注。然而，传统的聚合物水凝胶电解质在零度以下的温度下会冻结，导致电导率和机械性能下降，限制了其在低温环境下的应用。

二、研究成果

为了解决这一问题，刘利彬教授团队设计并制造了一种新型的两性离子聚合物水凝胶电解质（polySH）。该电解质由两性离子单体SBMA和丙烯酸2-羟乙基酯（HEA）的无规共聚而成，聚合物链上的阴离子和阳离子抗衡离子促进了LiCl的解离，从而提高了电解质的电导率。

1. 高电导率 ：在-40°C时，polySH电解质的电导率高达12.6 mS cm^-1，这得益于水合锂离子通过两性离子基团的直接跳跃迁移机制。

2. 优异的柔韧性 ：在-40°C时，polySH电解质可拉伸至325%的应变，并压缩至75%，表明其在低温下仍具有良好的柔韧性和机械性能。

3. 出色的电化学性能 ：基于polySH电解质的超级电容器在60°C时表现出178 mF cm^-2的高比电容，在-30°C时表现出134 mF cm^-2的高比电容，经过10000次循环后，分别保留了初始电容的81%和71%。

三、研究机制

1. 水合锂离子跳跃迁移机制 ：研究提出了水合锂离子通过两性离子基团的直接跳跃迁移机制，这是polySH电解质在低温下保持高电导率的关键。

2. DFT计算 ：通过密度泛函理论（DFT）计算，证实了两性离子链上的阴离子和阳离子抗衡离子促进了LiCl的解离，从而提高了电解质的电导率。

3. 拉曼光谱和DSC分析 ：拉曼光谱和差示扫描量热法（DSC）分析进一步验证了polySH电解质的抗冻性能，表明LiCl的添加降低了电解质的凝固点，使其在低温下仍能保持良好的电导率和机械性能。

四、应用前景

该研究成果为实际应用中的高级离子导体和储能装置开辟了新途径。polySH电解质不仅具有优异的防冻性能和高电导率，还具有良好的柔韧性和机械性能，可广泛应用于超级电容器、应变传感器等储能和传感设备中。此外，其在实际应用中的柔韧性和附着力可防止设备受到结构破坏，延长使用寿命。

五、图片展示

综上所述，齐鲁工业大学刘利彬教授团队的研究成果为高性能储能设备和传感设备的发展提供了新的思路和方法。

东华大学武培怡和孙胜童课题组Adv. Mater.：离电液晶弹性体纤维实现离子电导率随拉伸上千倍提升

东华大学武培怡和孙胜童课题组在Adv. Mater.上发表研究成果：离电液晶弹性体纤维实现离子电导率随拉伸上千倍提升

东华大学武培怡和孙胜童课题组在可拉伸离子导体领域取得了重大突破，设计并合成了一种新型的离电液晶弹性体（IonoLCE）纤维。这种纤维在拉伸过程中表现出前所未有的离子电导率增强行为，拉伸20倍即可带来1000倍电导率的提升。

一、研究背景

可拉伸离子导体是构筑类组织柔性电子器件的重要组成部分，广泛应用于仿生皮肤、人工肌肉、可拉伸储能、软机器人等领域。然而，现有的可拉伸离子导体大多基于柔性高分子网络，拉伸时离子电导率仅发生轻微提升，这一“温吞”的机电耦合特性限制了其应用。

二、研究成果

为了打破这一局限，东华大学武培怡和孙胜童课题组设计了一种具有超高力学韧性的离电液晶弹性体纤维。这种纤维的结构中含有交替排列的刚性液晶基元与柔性间隔基，引入的含氟疏水离子液体仅与柔性间隔基相互作用。在拉伸过程中，液晶基元首先有序排列，继续拉伸则迫使液晶基元发生近晶相密堆积，从而与离子液体微相分离，形成了高度有序的快速离子通道。这些离子通道起到了类似“泳道”的作用，使得离子传输效率大幅提升。

实验结果显示，IonoLCE纤维表观完全透明（透明度约92%），液晶相转变温度约为49.8°C。力学表征显示，该纤维具有较低的初始模量（0.5 MPa）、极高的拉伸率（2700%）、良好的拉伸回复（99%回复率）以及极强的力学韧性（56.9 MJ m^-3^）。在拉伸20倍的情况下，纤维的离子电导率由0.14 mS m^-1^提升至143.86 mS m^-1^，对应于1028倍增强，这一增强系数远超其他可拉伸离子导体。

三、电导率增强机制

作者通过低场核磁氟谱、SAXS、红外、分子模拟等多种表征手段分析了IonoLCE纤维电导率急剧提升的分子机制。研究发现，离子电导率提升主要发生在单畴向列相向近晶相的转变过程。由于刚性液晶基元在拉伸过程中密堆积，离子液体与液晶弹性体网络的相容性变差，从而发生微相分离，形成了沿拉伸方向高度有序且相互贯通的离子通道。

四、特殊传感与致动性能

电导率随拉伸急剧提升的特性使得IonoLCE纤维具有反Pouillet定律预测的电阻变化曲线。在121%应变后，电阻急剧下降；而618%应变后，电阻缓慢增长。这一特殊电阻变化可实现与常规离子导体传感截然不同的波形传感，即拉伸至不同应变可反馈不同的电阻变化波形。

此外，将离子液体引入液晶弹性体网络后，IonoLCE纤维仍然保持着极高的致动性能。施加0.2 MPa偏压后，加热至液晶相转变温度可发生约70%的长度收缩。将具有光热功能的分散红染料DR1引入纤维中，绿色激光照射可产生远程致动效果。离电液晶弹性体纤维的致动能力还可与感知功能进行一体化协同。将纤维固定至不同应变，激光脉冲会带来同步的收缩力与电阻信号变化。

五、研究意义

这一研究成果为可拉伸离子导体离子传导行为的力学调制提供了新的分子设计途径。离电液晶弹性体纤维的特殊电导率响应行为使其具有新颖的波形传感特性，且可实现致动与传感一体化协同。这一策略在仿生皮肤、人工肌肉、可拉伸储能、软机器人等领域具有广阔的应用前景。

综上所述，东华大学武培怡和孙胜童课题组的研究工作为可拉伸离子导体领域带来了新的突破和创新，为相关领域的科学研究和技术应用提供了有力的支持。 招生网

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