基于松三糖的生物聚合物电解质膜的分子动力学模拟与开发：赋能可持续储能设备

《Journal of Molecular Liquids》：Molecular dynamics simulation and development of biopolymer electrolyte membrane based on melezitose for energy storage devices

本研究创新性地开发了一种基于松三糖（Melezitose）与聚乙烯醇（PVA）共混、掺杂高氯酸镁（Mg(ClO4)2）的新型生物聚合物电解质膜，其室温离子电导率高达1.44×10?3 S cm?1，兼具优异的非晶态结构和柔性，为可持续（锂离子）电池提供了环保、低成本的高性能固态电解质解决方案。

　　

亮点

材料

D-松三糖水合物（分子量504.44，无水）购自印度SRL Pvt.Ltd.公司。聚乙烯醇（PVA，分子量85,000–1,24,000 g/mol）购自Sigma–Aldrich，高氯酸镁（分子量223.21 g/mol）购自印度High Media Private Ltd.。实验使用双蒸水作为溶剂。

共混固态生物聚合物电解质膜MZP的制备

生物材料松三糖本身缺乏成膜倾向，当尝试通过溶液浇铸技术将其制成薄膜时，其脆性导致无法形成独立支撑的膜。因此，为了克服这一限制并增强其机械性能，我们将其与聚乙烯醇（PVA）共混。具体制备过程如下：将计算量的松三糖（1 g）和PVA（0.8 g）分别溶解在20 mL双蒸水中，在80°C下持续搅拌6小时，得到均匀澄清的溶液。将这两种溶液混合，并在相同条件下再搅拌2小时，获得均一的共混物（标记为MZP）。随后，将不同重量百分比（0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 wt%）的高氯酸镁（Mg(ClO₄)₂）作为掺杂盐加入到MZP共混溶液中，并在80°C下搅拌4小时，确保盐完全溶解并形成均相溶液。最终，将这些溶液倒入干净的Petri培养皿中，在室温下缓慢蒸发水分，待其凝胶化后，将其移至真空烘箱中，在60°C下干燥24小时，最终得到柔韧、自支撑的固态生物聚合物电解质薄膜。这些掺杂薄膜根据盐含量的不同，分别标记为MMP1, MMP2, MMP3, MMP4, MMP5。

XRD测量

对生物材料MZ、PVA、生物聚合物膜MZP以及所有生物聚合物电解质膜MMP1, MMP2, MMP3, MMP4, MMP5进行了XRD测量。图2A和B显示了MZ、PVA、MZP和MMP1的XRD图谱。MZ的曲线在2θ = 9.1°, 11.5°, 12.9°, 15.8°, 18°, 19.3°, 23.8°, 24.7°, 25.8°, 27.7°, 32.4°, 39.7° 和 48.9°处显示出衍射峰。图2A中纯PVA的XRD图谱在19.4°和40.4°处显示出衍射峰，这与Manjuladevi等人[26]获得的结果相似。

结论

本研究涉及使用生物分子松三糖（Melezitose）制备了一种新型生物聚合物电解质膜，该膜与PVA共混并掺杂了高氯酸镁。交流阻抗（AC Impedance）技术的优化结果显示，对于优化后的组分（1 g 松三糖 + 0.8 g PVA + 0.8 wt% Mg(ClO₄)₂），其在室温下的最大离子电导率达到1.44 × 10^?3 S cm^?1。样品的XRD分析也揭示了当松三糖/PVA共混并掺杂盐后，膜的非晶态性质增强。