用于可持续Li-ion电池的淀粉基固体电解质及其复合材料综述：通往储能的绿色途径

对可持续储能日益添加的需求，推动了可生物降解聚合物电解质的开发，作为锂离子电池（LIBs）中传统系统的环保替代方案。本总述系统地探讨了天然（如淀粉、纤维素、聚羟基烷酸酯）和合成（如聚乳酸、聚乙醇酸）可生物降解聚合物的潜力，并重点评论了依据淀粉的固体聚合物电解质（SPEs）。咱们强调了Starch-Li+配位机制、增塑作用（甘油/离子液体）以及纳米填料增强（如BaTiO₃）方面的要害展开，这些要素一同使得在优化盐浓度（25–40 wt%）下完结了10⁻⁴–10⁻³ S/cm的离子电导率。研讨标明，非晶化和降低玻璃化转变温度（Tg）等结构改性能够增强离子传输，一同坚持其可生物降解性。但是，在完结实践室温电导率（>10⁻³ S/cm）、确保长时间稳定性以及从材料开发过渡到全电池测验方面仍存在严峻应战，有必要战胜这些妨碍才干完结这些可持续电解质的商业可行性。

图文摘要

1.  

为了应对自然资源的敏捷干涸，研讨人员正致力于经过开发大规模处理方案来使能源多样化，例如太阳能、风能以及用于捕获环境机械能的立异设备[[1], [2], [3]]。虽然如此，为满意日益添加的全球需求而采用的最直接且展开最快的应对措施在于先进电池技术，这关于存储和供应所发生的电力以保持经济稳定与添加至关重要[4,5]。锂离子电池（LIBs）是商业使用中最广泛的二次电池，由于它们具有较长的使用寿命（5–10年）、高能量密度（200–300 Wh/kg）以及低自放电率[6]。如图1a和1b所示，LIBs一般由四个主要部件组成，即阳极、阴极、隔膜和电解质[7]，而图1c和1d展现了固态锂离子电池（SSLiB）的作业原理，它与传统LIBs的区别在于采用了固体电解质替代液体电解质。在SSLiB中，固体电解质发挥两层作用：促进锂离子（Li+）的传输，并充任避免阳极与阴极直接接触的隔膜。这种规划消除了对独立多孔聚合物隔膜的需求。阳极一般由石墨组成，而阴极往往包括锂金属氧化物（LixMyOz），如钴酸锂（LiCoO2）和lit...
但是，虽然具有这些电化学优势，传统的液态碳酸盐基电解质存在固有的安全隐患。有机碳酸盐具有高易燃性和低闪点，而液态也带来了泄露危险——在过充、内部短路或机械滥用等条件下，这两者都或许导致热失控[13]。这一要害的安全局限性促使人们对替代电解质系统展开了许多研讨，旨在坚持碳酸盐混合物优秀的电化学功用的一同战胜这些安全应战。固体电解质具有明显优势，包括固有的不可燃性，这直接处理了与液态电解质相关的安全问题[[14], [15], [16], [17], [18]]。
固态电解质主要分为两大类：固态无机电解质（SIEs），由陶瓷、氧化物、硫化物或磷酸盐等晶体或玻璃态材料组成，具有刚性且有序的结构，有利于高效的离子传输；以及固态聚合物电解质（SPEs）[[19], [20], [21]]。相比之下，SPEs 由聚合物与锂盐混合而成，表现出柔韧的非晶特性，从而增强了加工功用和规划兼容性[22]。
虽然SIEs和SPEs各有优势，但SIEs在离子电导率方面一般优于SPEs，从而完结更快的充放电速率。SIEs还具有更宽的电化学稳定窗口，支撑更高的作业电压且不会发生副反应。但是，ISEs固有的刚性导致其与电极接触不良，构成Li+传输不均匀并添加界面电阻[23]。另一方面，SPEs具有杰出的弹性和改进的电极/电解质接触，能够更好地适应循环过程中的体积动摇[24]。它们的柔韧特性还简化了制作工艺，并支撑开发薄型、轻量化和可曲折的电池规划。SPEs中最常用的合成聚合物基体包括poly(ethylene oxide)（PEO）[25]、polyimide（PI）[26]、polyvinylidene fluoride（PVDF）及其共聚物[27,28]、polymethyl methacrylate（PMMA）[29]以及polyacrylonitrile（PAN）[30]等。
虽然这些合成聚合物已展现出令人满意的功用，但日益添加的环境问题激发了人们对可持续生物聚合物替代品的爱好。淀粉因其天然丰度、可生物降解性以及有助于盐类解离和离子传输的固有羟基而成为一个极具前景的候选材料[31]。与传统的SPE基质类似，淀粉能够与锂盐构成络合物，一同供给额定的可持续性优势[32]。虽然已有许多总述探讨了依据合成聚合物的SPEs[33]，但仍明显缺少专注于淀粉基系统的系统性总述，特别是关于淀粉的结构特征、共混物及复合聚合物电解质（CPEs）方面[34]。本总述旨在填补这一空白，经过批判性地审视用于锂离子电池（LIBs）的淀粉基共混和复合电解质的最新展开，重点论述增塑剂和纳米填料怎样影响其结构特性和电化学功用。