四川大学何欣/刘芝孟团队AM: 用于热能储存和热管理的多重氢键交联的超分子固-固相变材料
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阅读： 2024/1/18 13:42:23
固-固相变材料（SSPCM）被认为是潜在的热能储存和管理材料，具有广阔的应用前景。尽管SSPCM具有巨大的应用潜力，但实际应用往往受到储热能力低和机械强度差等问题的限制。而且，SSPCM储热性能和机械强度间存在一定的矛盾。此外，固-固相变材料往往通过化学交联制备，导致其可回收性较差。因此，开发一种具有高潜热、高机械强度和易回收特性的线性SSPCM具有重要意义。
鉴于此，四川大学化学工程学院何欣教授/刘芝孟副研究员团队提出了一种简单、高效的多重氢键策略，合成了以聚乙二醇（PEG）作为相变储能功能链段的具有高潜热储能性能和高机械强度的超分子SSPCMs，用于热能储存和锂离子电池热管理研究。相关成果以“Multiple H-bonding cross-linked supramolecular solid-solid phase change materials for thermal energy storage and management” 为题发表在《Advanced Materials》上。第一作者为四川大学化学工程学院硕士研究生王晨阳，通讯作者为刘芝孟副研究员。
在这项研究中，通过精心分子结构设计，在聚合物分子链硬段中引入具有不同氢键结合能的功能基团（UPy、脲键和氨基甲酸酯键），构建得到多重氢键交联的超分子SSPCM（MHPCM），如图1所示，以实现在高相变组分条件下的高潜热储存性能、高强度和高热稳定性。MHPCM中的PEG通过结晶态和非晶态之间的相转变来储存和释放热能。硬段间通过多重氢键形成超分子交联网络和弱氢键的能量耗散，有效提高MHPCM的机械强度和可拉伸性能。该策略使制备的MHPCM在97 wt% PEG条件下，具有高相变焓（142.5 J g-1）、高机械强度（36.85 MPa），高断裂伸长率（1200%）和优异的热稳定性（120℃形状稳定无泄漏），是目前报道的综合性能最好的相变材料，进一步拓展了相变储能材料的潜在应用。
图1. MHPCM的结构及工作机理示意图
此外，通过二维相关红外光谱揭示了MHPCM聚合物分子中多重氢键的解离和解离温度范围；小角X射线衍射揭示了聚合物的相态结构和相分离情况。通过分子动力学（MD）模拟阐明了MHPCM中结构的堆积状态、氢键密度和构效关系。密度泛函理论（DFT）进一步计算了MHPCM结构中各种氢键供体和受体之间氢键的结合能，表明MHPCM中硬段间形成的多重氢键能有效促进软硬段间的相分离，构建得到超分子交联网络结构。此外，设计的多重氢键是多级分布的。这些因素可以有效提高相变材料在高相变组分条件下的力学性能和外力作用下的能量耗散。
图2. MHPCM的化学结构表征和力学性能
图3. MHPCM的结晶性能和相变储能性能
图4. MHPCM的热管理能力
当MHPCM被进一步应用于调节锂离子电池的工作温度时，在3C的高放电倍率下，商业18650锂离子电池的工作温度可以有效控制在43.2 °C以下，比裸电池的温度降低了23 °C，有效增强了电池的热管理能力和降低了电池的容量衰减速率。本文设计的MHPCM进一步拓展了相变材料在热能储存和热管理领域的应用，也为开发具有柔韧性和高机械强度的先进功能材料提供了一个有效策略。
论文连接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202309723
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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