离子液体[BMIm]Cl协同增强羧甲基纤维素基固态聚合物电解质的电化学性能与分子机制研究

为解决传统锂离子电池有机电解液易燃安全问题，印尼国家研究创新署团队通过引入1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIm]Cl)离子液体改性羧甲基纤维素(CMC)基固态聚合物电解质(SPE)，获得兼具高离子电导率(1.37×10?3 S cm?1)、宽电化学窗口(3.85 V)和优异热稳定性(508°C)的新型电解质材料，密度泛函理论(DFT)揭示其分子相互作用机制，为全固态锂电池(ASSLiBs)发展提供新思路。

　　

锂离子电池(LiBs)作为现代电子设备和电动汽车的核心动力源，其安全性始终是悬在头顶的"达摩克利斯之剑"。传统碳酸酯类有机电解质的易燃特性，不仅导致三星Note7的爆炸门事件，更成为制约高能量密度电池发展的瓶颈。与此同时，全球对可持续能源存储的需求与日俱增，如何开发既安全又高效的固态电解质材料，成为学术界和产业界共同关注的焦点。

在这项发表于《Materials Today Chemistry》的研究中，印度尼西亚国家研究创新署与塞巴拉斯马雷特大学的研究团队另辟蹊径，将目光投向自然界储量丰富的纤维素衍生物。他们以羧甲基纤维素(CMC)这种可生物降解的天然聚合物为基质，创新性地引入1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIm]Cl)离子液体作为"分子剪刀"，通过精确调控组分比例，成功制备出性能优异的固态聚合物电解质(SPE)。这项研究不仅解决了生物基电解质材料导电性差的难题，更通过多尺度表征揭示了离子液体增强分子机制，为设计下一代全固态锂电池(ASSLiBs)提供了全新范式。

研究团队采用扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌，傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析分子相互作用，差示扫描量热法(DSC)测定热稳定性，电化学阻抗谱(EIS)评估离子电导率，并结合密度泛函理论(DFT)计算揭示分子间相互作用机制。所有实验样品均通过溶液浇铸法制备，关键参数通过三平行实验验证。

材料特性与形貌分析
SEM图像清晰显示，不含[BMIm]Cl的SPE30膜呈现龟裂状平整表面，而添加30 wt.% [BMIm]Cl的SPE30-IL30样品则形成独特的褶皱拓扑结构。这种形貌变化源于离子液体对聚合物链的塑化作用，FTIR谱图中C=O键红移(从1599到1586 cm^-1)证实了[BMIm]⁺与CMC羧基的强相互作用，DSC测试显示结晶度指数(Cr.I)降低至43.73%，显著提升了链段运动能力。

电化学性能突破
在30 wt.% [BMIm]Cl优化比例下，电解质膜获得1.37×10^?3 S cm^?1的室温离子电导率，比未改性样品提升两个数量级。锂离子迁移数(t_Li+)高达0.96，表明电荷传输主要由Li⁺完成。线性扫描伏安法测得3.85 V的电化学稳定窗口，完全满足高压正极材料应用需求。这些性能参数在生物基SPE材料中处于领先水平。

理论计算揭示机制
DFT计算显示，[BMIm]Cl能将LiCH₃COO的稳定化能降低14 kcal/mol，其中Cl^-通过与Li⁺形成[LiCl₃]^2-配位结构促进解离，而[BMIm]⁺则通过阳离子-π作用削弱CMC链间交联。这种协同效应创造了连续的离子传输通道，是性能提升的分子基础。

这项研究实现了生物基电解质材料的性能飞跃，其创新性体现在三个方面：首次阐明[BMIm]Cl在CMC体系中的双功能作用机制；开发出兼具高导电性和热稳定性的可持续SPE材料；为天然高分子在能源存储中的应用开辟新途径。特别值得注意的是，该材料在508°C仍保持稳定的特性，远超传统聚环氧乙烷(PEO)基电解质。虽然目前实验室规模的制备工艺仍需优化，但这项工作无疑为发展符合循环经济理念的下一代电池技术提供了重要参考。研究团队在讨论部分特别指出，这种设计策略可扩展至其他多糖类聚合物体系，未来通过调控离子液体阴离子类型，有望进一步突破性能瓶颈。