交联环氧基凝胶聚合物电解质在锂离子电池中的应用

《Macromolecular Materials and Engineering》：Application of Crosslinked Epoxy-Based Gel Polymer Electrolytes for Li-Ion Battery

基于环氧大豆油（ESO）和双酚A二甘醇醚（DGBEA）的聚合物电解质研究。采用生物基跨链接剂柠檬酸，制备了ESO/DGBEA交联凝胶电解质（GPEs），优化组成为ESO60-DGBEA40，表现出宽电化学稳定性窗口（＞4.2 V）、高离子电导率（5.9×10?? S cm?1）和锂离子迁移数（0.76），兼具机械柔韧性和热稳定性，为可穿戴锂离子电池提供新方案。

　　在当今快速发展的科技环境中，锂离子电池因其高能量密度、高功率密度以及长循环寿命而成为电子设备和新能源领域不可或缺的能量存储系统。然而，随着对电池安全性和可持续性的要求不断提高，传统液态电解质所存在的问题逐渐显现，例如锂枝晶的形成、固态电解质界面（SEI）的不稳定性、泄漏风险以及易燃性等，这些因素严重限制了锂离子电池的进一步发展。因此，科学家们开始探索新型的聚合物电解质材料，以解决这些问题并提升电池的整体性能。

聚合物电解质因其独特的物理和化学特性，成为替代传统液态电解质的理想选择。它们不仅具有较低的可燃性，还具备良好的加工性能、机械柔韧性和优异的电化学稳定性。其中，凝胶聚合物电解质（GPEs）由于其兼具电解质和隔膜功能，展现出巨大的应用潜力。为了进一步提高GPEs的性能，研究人员正在寻找能够兼顾环保性、经济性和电化学性能的新型材料。

在此背景下，基于天然材料的聚合物电解质引起了广泛关注。例如，环氧大豆油（ESO）作为一种来源于植物油的生物基材料，具有丰富的电子供体官能团，能够有效促进锂盐的解离，从而增强离子导电性。同时，ESO的可再生性和低毒性使其成为可持续材料的理想候选。然而，ESO在有机溶剂中的机械强度有限，因此需要与具有较高机械性能的合成材料结合，以实现更好的综合性能。双酚A二缩水甘油醚（DGBEA）作为常见的环氧树脂材料，因其芳香环结构和优异的热稳定性而被广泛应用于提高聚合物的机械强度和结构完整性。

为了进一步优化GPEs的性能，本研究采用了一种创新的合成策略，将ESO与DGBEA结合，并利用柠檬酸作为生物相容性良好的交联剂，形成一种兼具机械强度和离子导电性的交联型凝胶聚合物电解质。这种合成方法不仅降低了生产成本，还减少了对环境的影响，同时保持了材料的高柔韧性。实验结果表明，ESO与DGBEA的配比对电解质的性能具有重要影响。其中，ESO??–DGBEA??这一组合表现出最佳的综合性能，包括较高的离子导电率（5.9 × 10?? S·cm?1）、宽广的电化学稳定性窗口（超过4.2 V）以及较高的锂离子迁移数（0.76），这表明其在提升锂离子电池性能方面具有显著优势。

在电化学性能方面，研究团队通过多种测试手段，如电化学阻抗谱（EIS）、线性扫描伏安法（LSV）以及恒电流充放电测试，全面评估了不同配比电解质的性能。结果显示，ESO??–DGBEA??在所有测试条件下均表现出优异的电化学行为，尤其是在充放电过程中保持了较高的容量和良好的循环稳定性。相比之下，ESO??–DGBEA??由于交联度较低，导致其机械性能和离子迁移效率相对较弱，而ESO??–DGBEA??虽然具有较高的电解质吸收能力，但其离子导电性不如ESO??–DGBEA??。这表明，在ESO和DGBEA的配比中，存在一个最佳的平衡点，既能保证材料的机械强度，又能促进锂离子的高效迁移。

在微观结构方面，通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对不同配比的电解质进行了表征。结果显示，ESO??–DGBEA??具有较为均匀的孔隙结构，这为锂离子的传输提供了良好的通道。同时，该材料的低玻璃化转变温度（Tg）也表明其具有较高的柔韧性，有利于在各种温度条件下保持良好的电化学性能。相比之下，ESO??–DGBEA??由于较高的ESO比例，导致材料结构更加松散，孔隙分布不均，从而影响了电解质的吸收和离子传输效率。而ESO??–DGBEA??虽然具有较高的电解质吸收能力，但由于其较高的交联密度，导致离子迁移通道受限，影响了其导电性能。

此外，研究团队还通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）对材料的热稳定性和玻璃化转变温度进行了系统研究。结果表明，随着DGBEA比例的增加，材料的热稳定性显著提高，其热分解起始温度也随之上升。相反，ESO比例的增加则会导致材料的热稳定性下降，这与其较为柔软的链结构和较低的交联密度有关。因此，在设计和优化GPEs时，需要在ESO和DGBEA的比例之间找到一个最佳平衡点，以兼顾材料的机械强度和热稳定性。

在实际应用中，ESO??–DGBEA??表现出良好的循环性能和高库仑效率，表明其在锂离子电池中具有广阔的应用前景。通过在电池中使用这种电解质，不仅能够提高电池的能量密度和功率密度，还能有效抑制锂枝晶的形成，从而提升电池的安全性。同时，该电解质的高离子迁移数也表明其能够促进锂离子的均匀分布，减少电极与电解质之间的界面阻抗，提高电池的整体效率。

本研究的意义在于，它为开发高性能、低成本且环境友好的聚合物电解质提供了一种新的思路。通过结合生物基材料ESO与合成材料DGBEA，并采用柠檬酸作为交联剂，研究人员成功构建了一种具有优异电化学性能的凝胶聚合物电解质。这种材料不仅满足了锂离子电池对高离子导电性和宽电化学稳定性窗口的需求，还兼顾了环境友好性和经济性，为未来电池技术的发展提供了重要支持。

总的来说，该研究为锂离子电池的电解质材料设计提供了新的方向。通过合理调控ESO和DGBEA的比例，可以实现对材料性能的精准优化，从而满足不同应用场景对电池性能的需求。未来，进一步研究该材料在高温、高电压等极端条件下的稳定性，以及其在柔性电池、固态电池等新型电池体系中的应用，将是推动该技术走向实际应用的重要步骤。同时，探索其他天然材料与合成材料的组合，以进一步提高电池的可持续性和安全性，也将成为研究的热点。