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徐利文教授团队在Angew. Chem. Int. Ed.上发表有机硅材料化学的研究工作

上传时间 :2022-10-31 09:26:39    浏览次数 :8    作者与来源 :有机硅

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近日,徐利文教授团队与南京航空航天大学张校刚教授合作,在国际化学领域权威期刊Angewandte Chemie International Edition(2021年,IF:16.823)上发表了题为“Siloxane-based Organosilicon Materials in Electrochemical Energy Storage Devices”的Minireview论文,总结了多种不同官能化程度和分子构型的硅氧烷类有机硅材料在锂离子、超级电容器的各大关键功能模块中的研究方面取得的成就。

发展高性能功能材料和储能器件是解决全球能源危机和环境污染、实现风能、太阳能等新能源高效利用和双碳目标的有效方案。硅氧烷类有机硅分子材料具有无机骨架和有机外壳的特殊结构,具有灵活可调的官能化程度和分子构型,兼具有机物和无机物的优良性质,如柔韧兼备的力学性能、良好的热稳定性等,这些优点使其在储能领域展现出越来越多的应用潜力。

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传统的储能材料大多仅能服役于电化学储能器件中某个单一的功能模块如电极材料,近年来的研究发现硅氧烷类有机硅分子材料突破了大多传统能源材料被局限在单一功能模块中的瓶颈,其应用范围涵盖了电极材料、电解液、隔膜、粘结剂等多个功能模块,实现了硅氧烷类有机硅分子材料在锂离子电池和超级电容器等多种储能器件中的应用,有效地提升了储能器件的电化学性能。首先,硅氧烷(D, T, R/Si ≥ 2)可以作为锂离子电池电极材料的修饰剂。硅氧烷通过参与构筑电极纳微结构或调节电极表界面性质而间接地改进正负极材料的电化学性能。电极表面修饰的硅氧烷分子的立体位阻效应在电极材料表面创造了一个保护层,很好地调节了电极表面的反应性,避免了某些副反应的发生,还能在一定程度上消除材料充放电过程中体积变化产生的负面影响。对硅氧烷进一步地结构设计能加深对其工作机理的理解并建立电极表面结构设计和优化的分子基础。电解液也是硅氧烷在锂离子电池中的一大重要应用领域。传统的碳酸酯类电解液在反复的充放电过程中存在着易燃易分解、循环稳定性差、难以很好地适应电池在极端高低温环境或高能量密度条件下使用。在过去的数年中,硅氧烷被研究作为电解液的添加剂、溶剂/助溶剂、聚合物或固态电解质的分子骨架材料,这些研究表明,不同官能化程度(M,D,T,Q)、不同分子构型(R/Si>2,R/Si=2,R/Si<2)的硅氧烷均能在电解液中发挥作用,能不同程度地影响电解液的离子导电性和电化学性能。基于这些硅氧烷的液态电解液通常具有更强的耐高温、耐高压性能、比传统电解液具有更强的安全性。基于聚硅氧烷(D,R/Si=2)的固态电解质则具有更高的热稳定性、不易燃、安全可靠性更高,兼具柔性和一定的机械强度。聚硅氧烷固态电解质在离子导电性、机械强度、安全性等方面仍有很大的提升空间,是目前研究的一个重难点。论文还总结了硅氧烷在锂离子电池隔膜中的应用。现有电池隔膜在热稳定性、与电解液的浸润性、内阻、安全性方面还存在诸多不足,设计以硅氧烷链为主体骨架或辅助单元的电池隔膜是提升隔膜性能的一个重要策略。例如,仅仅通过对传统PE隔膜进行硅氧烷类(Q, R/Si>2)修饰就能有效地提升其电化学性能,硅氧烷能参与隔膜纳微结构的构筑或表面修饰,这不仅有利于改善隔膜的热稳定性和安全性,硅氧烷疏水的有机基团还能提高隔膜对有机电解液的浸润性、弱化Li+的溶剂化效应、促进Li+传输,进而降低电极的极化、提高锂金属负极的循环稳定性。

此外,过去的研究还表明,通过对硅氧烷的官能化程度和分子构型进行设计和筛选,使得该类化合物不仅具有超强的耐高低温、防火、良好的Li+导电性、粘结性等,很好地解决现有能源材料遇到的瓶颈问题、极大地弥补现有能源材料种类和性能的诸多不足。本文还总结了硅氧烷类有机硅分子材料的结构、功能与电化学性能之间的关系并揭示了相关的机理,为未来进一步设计结构新颖独特的有机硅材料、助推高性能电化学储能器件的研究、实现硅氧烷类有机硅分子材料在储能领域的广泛应用、助力实现“双碳”目标提供了有价值的参考。

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材化学院/有机硅重点实验室王华兰副教授为论文的第一作者,徐利文教授、李岩博士和南京航空航天大学张校刚教授为共同通讯作者,杭州师范大学为第一完成单位。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202210851

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