据外媒报道，美国能源部橡树岭国家实验室（Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的研究人员发现一种设计超离子聚合物电解质的方法，以用于固态电池和其他能源应用，有望助力未来能源的充足和可靠供应。科学家们证明，通过精确控制锂盐基聚合物的化学成分，他们可以制造出一种材料，该材料能够实现电池以及许多其他储能和转换技术中离子的超高速传输。

图片来源： ORNL

“世界各地的研究人员都在致力于挖掘聚合物电解质的潜力，因为它们比传统的液态电解质具有诸多优势，”ORNL化学科学部的研发科学家Catalin Gainaru表示。“实现快速离子传输一直是聚合物电解质面临的一大挑战，但我们最近的研究表明，这种情况可能已经改变。”

电池由两个电极——阴极和阳极——组成，中间由电解质材料隔开。电池充电或放电时，离子需要在电解质中具有高迁移率，才能在电极之间来回移动。传统电池使用液态或凝胶电解质，但对更安全、更高效的储能设备的需求促使人们对固态电池产生了浓厚的兴趣。固态电池的电解质是固态的，因此充电速度更快、更安全、更紧凑、更耐用。

固态电池中离子传输的挑战

许多固态电池方案都采用陶瓷电解质，这种电解质能够高效传输离子，因此被称为超离子陶瓷。然而，这些陶瓷由于脆性而容易破碎。它们也难以制成薄膜，并且与电池电极的粘附性较差。ORNL的研究人员展示了一种聚合物材料如何实现类似的超离子状态，在这种状态下，离子的移动速度可以比周围环境快100亿倍，同时又避免了液体和陶瓷的缺点。

聚合物是由长分子链构成的材料，这些分子链由重复的小单元组成。众所周知的例子包括各种塑料，它们通常由含有碳和其他原子的重复单元构成。ORNL的聚合物电解质含有极性链段，有利于锂盐的嵌入，并显著提高离子的迁移率。

这项发表在《Materials Today》上的研究是美国能源部能源前沿研究中心（EFRC）旗下快速协同聚合物基材料离子传输（FaCT）中心的一项成果。

“FaCT EFRC的目标是全面了解如何设计新型聚合物，从而改变离子传输的范式，”ORNL化学科学部的杰出研究员Tomonori Saito表示，“我们开发了一种非常特殊的聚合物，其链段能够自组装，为离子提供高迁移率的传输路径。”

分子设计策略实现超离子行为

关键进展在于通过添加精确数量的被称为两性离子的分子基团，对聚合物结构进行精细调控。这些特殊的功能基团同时带有正电荷和负电荷，这会增加局部极性，但使整个大分子整体带零电荷。通过精细的化学方法，研究人员能够控制连接到聚合物主链上的两性离子基团的数量，从而使离子能够聚集形成“口袋”。

在这些“口袋”中，离子之间的相互作用就像晚宴上的谈话者。起初，会在材料中形成分散的、彼此孤立的小“口袋”，进行着漫无目的的交流。然而，随着“口袋”数量的增加，这些“讨论”最终会失去个体性，演变成一种和谐而和谐的嗡嗡声。这时，离子开始像良好的对话一样流动。但是，如果添加过多的两性离子，这种和谐的嗡嗡声就会变成嘈杂的噪音，离子传输速度也会再次减慢。

研究人员发现，通过用两性离子基团对聚合物电解质约80%的单元进行功能化，可以达到最佳状态。此时，这些空腔连接成通道状结构，使离子能够以最小的阻力有序地来回跳跃。

研究团队计划在这项前景广阔的早期研究基础上，进一步探究赋予聚合物超离子特性的基本机制。利用ORNL的超级计算资源进行建模和模拟，以及结合人工智能的机器人自主化学实验，将有助于理解这种卓越性能的驱动因素。此外，他们还计划在橡树岭国家实验室的散裂中子源（美国能源部科学办公室用户设施）开展中子散射研究，以观察分子层面的相互作用。

虽然固态电池是这种新型电解质的一个明确应用领域，但许多能源技术也依赖于高效的离子传输。液流电池、燃料电池、电网级储能以及许多其他应用都将受益于这些新开发的聚合物。

“很难预测所有能够利用这项发现的技术，”Saito说道，“任何需要不透水阻隔层但又允许离子穿过的装置，都具有潜在的应用价值。”