西安交通大学周德重教授Angew：自报告、可生物降解热固性固态聚合物电解质

钠金属电池因其能量密度高、成本低而被认为是下一代大规模储能的理想技术。然而，在液态电解液中使用金属钠会带来巨大的安全风险，因为枝晶的生长会导致隔膜穿透，造成内部短路和热失控。固态聚合物电解质（SPEs）可有效降低此类风险，是一种更安全的替代品。然而，这些SPEs通常会表现出某些有益的特性，而牺牲其他特性。迄今为止，人们一直致力于提高固态聚合物电解质（SPEs）的离子传导性、热稳定性和机械强度。然而，对SPEs的物理和化学变化的直接监测仍然缺乏。此外，现有的热固性固态聚合物电解质很难降解。

近日，西安交通大学周德重教授克服了Flory理论预测的限制，开发了一种自报告和可生物降解的热固性超支化聚（β-氨基酯）基SPE（HPAE-SPEs）。具体而言，这项工作通过控制良好的“A2+B4”Michael加成策略成功合成了HPAE，然后将其原位交联以制备HPAE SPEs。支化位点上的多个叔脂肪族胺赋予了HPAE-SPEs多色荧光，从而可以直接观察其物理和化学损伤。此外，使用后，HPAE-SPEs可通过自催化作用迅速水解为无害的β-氨基酸和多元醇。优化后的HPAE-SPE在60℃下表现出1.3×10 -4 S/cm的离子电导率，0.67的Na +迁移数，高稳定的钠沉积剥离行为和~190mV的低过电位。总体而言，这项研究为通过工程化多功能聚合物开发聚合物固态电解质建立了一个新范例，其自报告和可生物降解的特性将大大扩展聚合物固态电解质的应用范围。

文章要点：

1. 这项工作首次将多功能热固性超支化聚（β-氨基酯）开发为高性能固态聚合物电解质。作者以PEGDA和Jeffamine®ED-2003为单体，建立了"A2+B4 "型Michael加成反应。

2. HPAE可以原位交联，生成具有无定形相、高机械稳定性和热稳定性的热固性凝胶。支化位点上的叔胺赋予HPAE多色荧光特性，使其具有自报告能力，可直接检测物理和化学变化。此外，热固性HPAE凝胶可在中性水溶液中快速水解为无害的β氨基酸和二元醇。

3. 研究显示，60℃时，HPAE-SPE-10%的离子电导率为1.3×10 -4 S/cm，Na+迁移数（ +）高达约0.67，并且在较小的电压极化条件下，Na的沉积/剥离性能优异，可持续350小时。

4. 考虑到二丙烯酸酯（A2型单体）和二胺（B4型单体）的广泛可用性以及 "A2+B4 "型Michael添加策略的良好可控性，可以合成具有多种化学组成、拓扑结构和功能性的HPAEs，还可以根据需要对其多功能性进行调制，从而进一步提高 HPAE-SPEs的性能。因此，HPAE有潜力成为一种新型的固态聚合物电解质，并可应用于多种场合。

图1 自报告和可生物降解热固性HPAE-SPE的示意图

图2 HPAE的合成与表征

图3 HPAE呈现多色荧光

图4 热固性HPAE SPE的特性

图5 热固性HPAE的降解特性

原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202319003

来源：高分子科学前沿

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