双连续结构电解质的卓越适应性：兼具高离子电导率与突破性力学性能的创新研究

为解决结构电池复合材料中离子传输与力学性能难以协同优化的难题，北京理工大学团队通过两步法构建了以四官能团环氧树脂(TETRAD-C)为基体的双连续结构电解质。该研究通过调控聚乙二醇200(PEG200)致孔剂含量，获得孔隙率31.2%的骨架结构，实现2.50 mS/cm离子电导率与1.34 GPa拉伸模量的优异平衡。应用于碳纤维结构电池时，复合材料展现出248.63 MPa弯曲强度与41.63 GPa模量，为航空航天轻量化设计提供了新型多功能材料解决方案。

　　

在追求轻量化的航空航天和电动汽车领域，结构电池复合材料正引发革命性变革——这种能将能量存储与结构承载合二为一的材料，有望显著减轻设备重量。然而，其核心组件"结构电解质"长期面临一个棘手的矛盾：作为离子传输通道需要高孔隙率以保证电化学性能，但作为承载基体又需要致密结构维持力学强度。传统一步法构建的双连续相电解质，如Ihrner团队开发的紫外固化体系(0.15 mS/cm, 750 MPa)或Zhang等设计的环氧/LiTFSI体系(0.67 mS/cm, 1.6 GPa)，始终难以突破性能瓶颈。更关键的是，这些方法无法适应碳纤维复合材料的高温固化工艺，严重制约实际应用。

北京理工大学的研究团队在《Journal of Materials Science》发表的研究中，创新性地采用两步法制备基于四官能团环氧树脂(TETRAD-C)的双连续结构电解质。通过精确调控聚乙二醇200(PEG200)致孔剂含量，构建出具有可控微孔结构的骨架网络，再注入三种典型液体电解质(含1 M LiPF₆
的DEC:DMC:EC=1:1:1电解液、LiTFSI/PC溶液及EMIM-TFSI离子液体)。关键技术包括：1）反应诱导相分离调控骨架孔隙率；2）多尺度结构表征（3D X射线显微镜）；3）碳纤维/玻璃纤维层压复合材料的共固化工艺验证。

【材料与方法】
研究选用高刚性TETRAD-C环氧与4,4′-二氨基二环己基甲烷(PACM)固化体系，通过改变PEG200添加量(0-40wt%)制备系列多孔骨架。固化程序采用130°C 1h+180°C 0.5h的阶梯升温，确保高温交联网络形成。

【结果与讨论】
• 孔隙率调控：PEG200含量与孔隙率呈线性相关，31.2%孔隙率样品(T3)呈现理想的双连续互穿结构，孔径分布1-5μm。
• 电化学性能：T3骨架注入LB-266电解液后，离子电导率达2.50 mS/cm，比文献报道的一步法体系提高60%。
• 力学性能：相同样品拉伸模量保持1.34 GPa，弯曲测试显示裂纹沿骨架-电解质界面偏转的增韧机制。
• 复合材料验证：碳纤维/电解质层压件能量密度达24 Wh/kg，三点弯曲测试中观察到阶梯式断裂特征，证明电解质有效传递载荷。

研究结论表明，这种两步法构建的结构电解质突破了传统材料"高导必弱韧"的桎梏，其成功关键在于：1）TETRAD-C的四官能团特性保障高温固化后骨架强度；2）PEG200的可控相分离形成优化孔径分布；3）骨架预成型避免电解质组分热分解。该工作不仅为结构电池设计提供了性能更优的电解质方案，其"骨架+灌注"的创新思路更为其他多功能材料开发开辟了新路径。值得注意的是，研究中发现的裂纹偏转行为为后续设计抗损伤复合材料提供了重要启示，而41.63 GPa的复合模量已接近航空铝合金水平，展现出巨大的工程应用前景。