碱（锂、钠）基二次电池被认为是储能应用的最佳候选者之一，以利用随机和间歇性的可再生能源实现碳中和。传统的采用液态有机电解液的锂/钠电池容易发生电解液泄漏甚至燃烧，这阻碍了其大规模和可靠的应用。近年来开发了被认为具有更好安全性的全固态电解质。然而，它们中的大多数都存在离子电导率低和与电极界面电阻大的问题。由离子液体和固态基质组成的离子凝胶-电解质膜因其非挥发性、不燃性以及优异的化学和电化学性能而备受关注。
华中科技大学胡先罗教授重点介绍了随着安全锂/钠电池的需求和进展而兴起的离子凝胶电解质的最新进展。作者从骨架组成和制备方法等方面对离子凝胶电解质膜进行了讨论，并结合其应用，展示了它们的结构和性能，包括离子导电性、机械强度、电化学稳定性等，此外还提出了目前的挑战和对未来发展先进安全锂/钠电池用离子凝胶电解质的见解。
文章亮点：
1. 离子凝胶电解质的核心特性是离子导电性。由于固体骨架对离子传输的障碍效应，离子凝胶的离子导电性被认为不如纯离子液体。因此，获得高离子电导率的最直接方法是增加封装离子液体的质量负载。应注意的是，离子导电性主要是离子液体电解质的固有性质，例如其化学结构、粘度和盐的浓度。因此，离子液体化学将在开发新型高离子电导率离子凝胶膜电解质中发挥重要作用。从另一个方面来看，骨架的大表面积（物理）和各种官能团（化学）产生的主客体相互作用也为改善离子导电性提供了无限的机会。
2. 离子凝胶膜电解质的其他性质可以从三个稳定性维度进行综合概括，包括机械稳定性、电化学稳定性和热稳定性。与纯液体相比，凝胶状物质具有强大的机械强度和形状灵活性。离子凝胶可以抵抗电极间应变应力的反复变化，并抑制锂/钠金属电池在充放电循环中锂树枝晶的生长。更重要的是，较高的机械强度将确保电解质的完整性，电解质还可作为蓄电池中的隔膜，以防止在滥用条件下遇到剧烈冲击或变形时发生短路。形状灵活性甚至可以赋予电解质自愈能力，这在柔性电子设备的电池应用中尤其有价值和可取。
3. 为获得较高的能量密度，电化学稳定性窗口是一个决定性因素，它主要受离子液体氧化和还原电位的影响。与常用的有机液体电解质相比，离子液体对于高电压的正极材料更稳定。据报道，基于哌啶和吡咯烷的阳离子的化合物比基于咪唑阳离子的化合物具有更高的氧化电位。因此，基于哌啶和吡咯烷的离子凝胶膜电解质更适合用于高压电池，但因为基于咪唑的离子液体通常在其离子导电性和离子盐的溶解性方面具有优越性，因此在综合性能方面起到了另一个折衷作用。
4. 由于离子液体的高热稳定性和不易燃性，其本质安全性使得离子凝胶膜电解质成为一种新兴的高温应用候选电解质。无机基质的引入将进一步改善电解质的热稳定性，并且还发现，纳米尺度框架对离子液体物种的物理捕获也会阻碍其热分解。
5. 目前，广泛报道的离子凝胶是基于聚合物对有机骨架离子液体的直接凝胶化。然而，人们应该知道，聚合物也由各种低分子低聚物聚合，这些低聚物可以在纳米甚至亚纳米尺度上进行化学设计和合成。各种化学官能团的引入将导致各种相互作用，包括离子偶极、氢键、π-π堆积，这些相互作用可能在实现电解质的不同电化学功能方面发挥协同作用。对于具有各种表面修饰的无机和杂化网络，这是相同的策略。更重要的是，从大分子的角度来看，聚合物链段的运动将对离子凝胶框架的相变和热稳定性产生重大影响。
6. 尽管离子凝胶膜电解质引起了人们的广泛兴趣，但在实际应用之前需要克服的主要障碍之一是原材料的高成本，包括离子液体和一些主体框架。实验室和工厂的大量努力正朝着成本效益高、易于大规模生产离子液体的方向发展。据报道，制造离子凝胶电解质的加工方法多种多样，其中喷墨打印被认为是很有前途的。
7. 最近，出现了各种各样的功能性电解质，包括能够对温度、机械力、电压、光和磁的变化作出反应的刺激响应性电解质。电致变色电解质可以直观地显示设备的储能状态。自愈电解质可以修复电池的损坏，确保长期运行和安全。然而，大多数功能性电解质仍然基于实验室的概念验证研究。人们高度预期，这些功能可以与下一代电子产品中的离子凝胶电解质结合使用。
图1离子凝胶电解质的概述和优势
图2 基于无机骨架的离子凝胶电解质
图3 离子液体中无机/有机复合物选择性形成概念的示意图
图4 抗冻凝胶的低温力学性能
图5特定互穿网络离子凝胶电解质膜（IGEM）的应用
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原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202200945
来源：高分子科学前沿