基本信息

 

王瑞洋

博士  特聘研究员  博士生导师

西安交通大学“青年拔尖人才”

研究方向:先进聚合物电解质材料的设计、组装及应用

近年来发表30篇论文,其中以第一或通讯作者身份在 Adv. Mater. (1篇)、 Annu. Rev. Mater. Res. (1篇)、 Macromolecules (4篇)等国际著名期刊上发表10 篇论文。于2018年获得Macromolecules 年度 Top 100 高产作者。于2021年获得IUPAC-MACRO2020+举办的第48届世界高分子会议优秀线上短报告奖。

招生信息

本课题组以聚合物电解质为特色。聚合物电解质的设计、组装、应用涉及高分子化学、物理、材料的部分知识,学生们可以接受较为全面的训练,为日后的发展奠定坚实的基础。欢迎对聚合物和聚合物电解质感兴趣的联合培养学生,硕士生和博士生,以及博士后加入课题组。期望你有高分子、材料、化学、能源其中之一的背景,可将简历发送至ryangwang@xjtu.edu.cn,心动不如行动。

 

联系方式

西安交通大学材料科学与工程学院

地址:西安交通大学创新港校区3-6024

电话:18868150561

邮箱:ryangwang@xjtu.edu.cn

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主要研究领域

1.   纳米结构聚合物电解质材料的设计;

2.   聚合物电解质材料结构与性能关系;

3.   聚合物电解质材料在软体机器人中的应用;

学习和工作经历

2023 - 至今  西安交通大学材料科学与工程学院,特聘研究员

2021 - 2022 浦项科技大学化学系,研究助理教授

2018 - 2021 浦项科技大学化学系,博士后

2013 - 2018 浙江大学高分子系,博士

2009 - 2013 武汉理工大学材料学院,本科

先进聚合物电解质材料的设计、组装及应用

1. 什么是聚合物电解质材料?

       聚合物电解质材料是一类能够传输离子的高分子材料。它具备本征的离子导电性,出色的可变形性,以及良好的结构设计性,是一种极具潜力的功能高分子材料,可应用于软机器人,智能传感,新型电池等领域。聚合物电解质材料可大致分为两类:离子与聚合物不存在化学键的盐掺杂聚合物,单一离子(阳离子或阴离子)被固定在聚合物链上的聚电解质。

2. 聚合物电解质材料目前的问题?

       自从Wright等人在1973年首次发现了盐掺杂聚氧化乙烯(PEO)具有离子导电性后,聚合物电解质材料取得了蓬勃的发展。但直至现在,盐掺杂PEO仍然是本领域中的标志性材料,聚合物电解质材料的离子电导率始终不令人满意,仍低于液态电解质。这一现象的产生有着深刻而复杂的原因。表观上,聚合物电解质材料的导电能力与力学性能之间存在着倒置关系,电导率的提升往往伴以牺牲弹性模量为代价。目前通行的解释在于离子的运动与高分子的运动存在着一定程度的耦合,也即离子必须伴随着高分子链进行运动。在此情况下,为提升离子的运动能力,需要提升高分子链的运动能力。降低玻璃化转变温度能提升高分子链及其所携带离子的运动能力。这使得材料弹性模量下降,电导率上升。

3. 实现离子运动与高分子运动解耦的可能办法?(或如何实现聚合物电解质材料的导电能力与力学性能的同时提升?)

       尚不明确。应当指出的是,离子的运动与高分子的运动的耦合(或者离子须伴随着高分子链进行运动),源自于聚合物电解质中离子的液态传输机制。高分子可视为经化学键连接小分子(链节)而形成的分子,化学键的存在限制了单一链节的自由运动,因此高分子的运动潜力必然小于分子量较低的小分子,这也导致了人们难以在离子的液态传输机制下,开发出电导率高于液态电解质的聚合物电解质材料。

       聚合物电解质材料的发展目前落后于陶瓷基电解质材料。他山之石可以攻玉。解决高分子问题的答案不一定来自于高分子,也可能来自于陶瓷。在某些陶瓷基电解质材料中,部分处于非晶态的离子能够形成液态的亚通道,从而在刚性晶体点阵之间实现跃迁。此时刚性的晶格点阵和非晶态的离子通道分别为材料提供了高的模量与电导。区别于传统高分子中离子的液态传输,陶瓷中的固相晶格点阵参与了离子的传输,离子呈现出固态传输行为。不仅如此,处于不同空间位置的离子间的库伦引力和斥力,则可能诱导了多离子协同跃迁的产生,进一步放大了离子电导率。因此,如果能在聚合物电解质材料中实现类陶瓷的离子固态传输行为,则有望实现离子运动与高分子运动的解耦。

4. 实现离子运动与高分子运动解耦的意义?

       实现这一目标最直接的收益是有助于开发出超越盐掺杂PEO的标杆聚合物电解质材料,这对软机器人,智能传感,新型电池等领域的发展极为重要。例如,软机器人具有出色的安全性,自适应性和刺激响应性,是智能制造产业创新的重要方向。基于聚合物电解质材料的软驱动器作为软机器人的主要执行部件,能在电信号的刺激下对外施加驱动力。但受限于离子聚合物材料的弹性模量与电导率之间的倒置关系,离子驱动器存在着负载低和响应慢的问题,限制了软机器人的大规模使用。实现离子运动与高分子运动的解耦,能同时提升材料的弹性模量和电导率,实现离子驱动器的负载和响应的双重提升,对发展面向先进制造的软机器人系统具有重要意义。

       此外,包含聚合物电解质材料在内的高分子智能响应材料,由于软物质独特的固体与流体并存特性,能在外界微小的光、电、磁、热、化学刺激下展现出显著的非线性响应,但也普遍存在着弹性模量与应变速率之间的倒置关系。对聚合物电解质材料进行结构设计,实现离子运动与高分子运动的解耦,达成高分子智能响应材料固体与流体性质之间的平衡,能够为软物质材料的跨尺度动力学松弛过程的功能调控提供参考。