日前，深圳大學副研究員馬定濤和團隊提出一種聚合物電解質設計新策略。
圖 | 馬定濤（來源：馬定濤）
該策略基于多功能介體的橋接，通過将靜電紡絲技術與壓延工藝加以結合，利用耐熱聚合物聚丙烯腈（PAN，polyacrylonitrile）和陶瓷填料 SiO2 配制而成的紡絲液，即可将納米 PAN/SiO2 纖維膜進行輥壓處理。
這樣做不僅可以大幅度降低薄膜厚度，同時緻密化的排列結構又賦予纖維膜以更高的機械強度與導熱效率。
當采用上述介體來作爲聚合物電解質的填充骨架，就能制備得到一種新型聚合物電解質材料，該材料能在 -25-80 ℃ 的寬溫域之下工作。
值得注意的是，本次研究還揭示了 PAN 納米纖維骨架表面的獨特陰離子鎖定機制。對于電解質内部陽離子來說，這能顯著降低它在傳輸過程中所需克服的空間阻力與能量勢壘，從而助力其實現快速、低能耗的遷移。
（來源：Advanced Functional Materials）
結合固态鋅電池自身的優勢，通過進一步适配高能量密度電極體系來加以集成封裝，讓這種新型聚合物電解質材料有望用于高功率密度需求的領域，比如用于固定式儲能、軌道交通動力回收、以及電網調頻等。
此外，其良好的寬溫域性能也有望滿足極寒、酷熱等極端環境的多樣化應用需求，比如作爲寒冷極地地域、或高溫沙漠地區的戶外儲能設備。
考慮到這種聚合物電解質材料擁有良好的柔性和機械強度，通過與柔性基底材料相結合，就能進一步發展新的柔性固态電池技術，從而用于智能穿戴設備、生物醫療檢測等場景。
針對相關論文一位審稿人認爲：" 本次工作所提出的聚合物電解質設計思路，實現了固态鋅電池在離子傳輸動力學與工作溫域的協同顯著提升，具備較好的創新性。"
另外兩位審稿人也表示：" 這項工作爲提高 Zn2+ 在固體電解質中的輸運能力提供了一條有效途徑 "" 所提出的多功能介質橋連編輯，不僅能提高聚合物電解質的機械強度與界面熱導率，還能顯著改善 Zn2+ 遷移性能和高溫界面的相容性 "。
（來源：Advanced Functional Materials）
" 科研不是空中樓閣和鏡花水月 "
據介紹，在全球推行碳中和進程的大背景下，新能源電池的發展不僅對全球能源轉型産生深遠影響，更是中國應對氣侯變化、優化産業結構、推動綠色發展，實現 " 雙碳 " 減排的必由之路。
作爲锂離子電池的重要補充，固态鋅電池兼具本征安全、低成本與高理論容量等應用優勢，是當前可持續能源存儲的有效解決方案之一。
随着人類對地球探索的不斷深入，時常需要涉足于寒冷、酷熱等極端環境與複雜地形開展戶外作業，穩定的供電保障顯得極爲重要。因此，發展全天候的寬溫域快充固态電池技術既是機遇也是挑戰。
對于固态鋅電池來說，其電化學性能很大程度上受制于聚合物電解質。當固态鋅電池在低溫條件下工作時，會面臨離子傳輸動力學緩慢、高溫時電解質結構不穩定、以及電極 / 電解質界面相容性差等難題。
這表明開發寬溫域快充固态鋅電池，是一個系統性難題。對于聚合物電解質的設計，既要在其内部構建快速離子遷移網絡、又要增強其結構熱穩定性與熱傳導效率，以保證電極與電解質界面在寬溫域工作條件下的良好相容性。
基于此，馬定濤課題組開展了這項研究。固态聚合物電解質，是該團隊的主要探索方向之一。在此之前，已經有另一位碩士生開展過相關工作，并積累了一定基礎和經驗 [ 2 ] 。
馬定濤表示：" 以老帶新是我們團隊的一貫傳統，所以在研一學習階段，我就給學生李宜姝拟定了目标：開發能夠适配快充固态鋅電池的聚合物電解質體系。"
結合目前電池應用的短闆，李宜姝将目光投向寬溫域固态電池聚合物電解質。原因在于相比于锂金屬，鋅金屬的質量較大。
要發展寬溫域固态鋅電池，不僅要解決電解質材料的耐熱性能，還要滿足電解質本體的離子輸運、以及電解質 / 電極界面的相容性問題。
通過查閱資料，她開始将注意力鎖定在耐熱材料——電紡 PAN 薄膜上，并嘗試通過靜電紡絲技術加工 PAN。爲進一步加強 PAN 膜的機械性能，她又引入陶瓷填料 SiO2 和壓延工藝。
李宜姝表示：" 考慮電紡 PAN 薄膜良好的耐熱與機械性能，我想将其直接作爲支撐骨架，在其基礎上澆注 PEO/Zn ( OTf ) 2/ 乙腈的電解質溶液，借此提高聚合物電解質機械性能和傳熱性能。"
然而，她發現 PAN 膜在接觸電解質溶液後，會發生明顯的卷曲現象，預定計劃也因此被打破。
這時就需要重新選擇合适的溶劑。于是，她從大量有機溶劑中進行篩選，其中包括丙酮、N,N- 二甲基甲酰胺和乙醇等。
" 然而科研不是空中樓閣和鏡花水月，我發現這些溶劑與乙腈的效果類似，PAN 膜依舊避免不了卷曲。由此可見，PAN 膜發生形變的原因或許主要不是溶劑的選擇問題。" 李宜姝說。
針對這個問題，馬定濤建議她從 PAN 膜體自身的機械強度角度考慮，通過對薄膜進行緻密化處理，來進一步提高其整體機械性能，從而爲内部納米纖維重塑松散的排列組合方式。
正好實驗室裏擁有對輥機，于是李宜姝便将其利用起來，對 PAN 膜進行壓延處理。
令人意想不到的是，經過壓延處理之後，PAN 膜卷曲問題果然得到顯著改善。但是，壓延之後膜的厚度大大降低。而被浸泡電解液之後的膜，其平整度依然存在較大的提升空間。
後來，她嘗試在紡絲膜裏分别添加少許陶瓷填料—— SiO2 和 Al2O3，盡管二者都可以解決 PAN 膜的平整度問題。但通過進一步結合電化學測試結果等因素考慮，她最終決定使用 SiO2。
緊接着，需要進一步确定 SiO2 的用量、壓延工藝參數、聚合物電解液的組分配比，以及聚合物電解質成膜後的幹燥溫度和時間。
由于涉及的步驟較多，這讓他們在工藝優化階段耗費了大量時間，期間還要通過不斷組裝電池，結合電化學檢測結果進行二次篩選。
而在後期整理實驗結果和撰寫論文時，又面臨另一個困境：如何合理解釋 PAN 介體對于聚合物電解質中鋅離子傳輸的增強機制？
" 針對這個問題，我提出采用‘實驗橫向對比結合理論計算化學’的方式進行論證，最終得以解決這一問題。" 馬定濤說。
日前，相關論文以《一種面向寬溫域、快充固态鋅金屬電池的超薄、多動力學增強聚合物電解質設計》（A Novel Ultrathin Multiple-Kinetics-Enhanced Polymer Electrolyte Editing Enabled Wide-Temperature Fast-Charging Solid-State Zinc Metal Batteries）爲題發在 Advanced Functional Materials [ 1 ] 。李宜姝是第一作者，馬定濤和深圳大學張培新教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Functional Materials）
已着手研發新型電解質體系
據了解，審稿人在點贊本次工作的同時也提出了一些建議，即本次固态電池的高溫性能仍然存在較大的提升空間。
具體來說，盡管該團隊成功拓寬了固态鋅電池的穩定運行溫域。然而無論是低溫充放電速度，還是高溫循環可逆性，仍然存在較大局限性。
鑒于此，課題組已經着手研發新型電解質體系，目前已經取得一些滿意的結果。未來，他們将進一步圍繞可規模化生産、低制造成本、高存儲性能與多應用場景這四個維度進行持續發力。
另據悉，該團隊一直緻力于高性能二次（有機 / 水系 / 固态）電池技術的研發與應用化。
馬定濤表示：" 得益于團隊帶頭人張培新教授在校企合作中積累的豐富經驗，我們正在積極推動前期成果的落地轉化。在學生培養上，已有多位研究生先後獲得國家級獎學金，近期還有三篇論文入選了 2023 年深圳市第三屆百篇優秀科技學術論文成果集 [ 2-4 ] 。"
