悉尼科技大学田昊&汪国秀等综述：准固态凝胶电解质在碱金属电池中的应用

研究背景

随着可持续能源需求的日益增加，先进电池技术受到了广泛关注，尤其是在可穿戴设备等智能电子产品的应用领域。传统的液态电解质在锂、钠和钾金属电池(AMBs)中使用时，存在着泄漏、易燃和温度适应性差等问题。为了提升这些电池的性能和安全性，准固态凝胶电解质(QSGEs)作为一种新型的电解质材料，展现出了在提升离子导电性、增强机械稳定性以及改善环境适应性等方面的独特优势。因此，开发高效、安全且环保的准固态凝胶电解质材料成为提升金属电池性能的关键研究方向。

Quasi‑Solid Gel Electrolytes for Alkali Metal Battery Applications

Jiahui Lu, Yingying Chen, Yaojie Lei, Pauline Jaumaux, Hao Tian*,Guoxiu Wang*

Nano-Micro Letters (2025)17: 194

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01632-w

本文亮点

1. 本综述探讨了准固态凝胶电解质(QSGEs)在碱金属电池(AMBs)中的应用，重点分析了自愈合凝胶、柔性凝胶、仿生凝胶以及生物质凝胶。每种凝胶均为碱金属电池的性能提供了独特优势。

2. 本综述展望了未来的研究方向，包括先进准固态凝胶电解质的合成、原位表征技术以及理论模拟，以便更深入地理解和优化这些材料。文章明确指出了亟待研究的关键领域，为研究人员在优化碱金属电池中准固态凝胶电解质的应用提供了指导。

内容简介

碱金属电池(AMB)凭借其高能量密度与卓越的循环性能，在便携设备领域已取得显著发展。然而，随着智能可穿戴电子设备需求的不断攀升，对电池安全性与耐用性的要求日益严苛。采用准固态凝胶电解质(QSGEs)已成为应对这一挑战的有效策略。澳大利亚悉尼科技大学汪国秀、田昊等人综述了准固态凝胶电解质在碱金属电池中的应用，重点探讨了四类凝胶电解质及其对电池性能和稳定性的影响。首先，文中讨论了自愈合凝胶，通过自修复机制延长电池使用寿命并提高安全性；其次，探讨了柔性凝胶，其出色的机械柔韧性使其适用于可穿戴设备及柔性电子产品；此外，还介绍了受自然界启发而设计的仿生凝胶，以期实现高性能的碱金属电池；最后，展示了基于天然生物质材料制备的凝胶，这类材料因其环保性与生物相容性而备受关注。文章最后对未来新型凝胶材料在提升离子传导率、机械强度及环境稳定性方面的发展前景与面临的挑战进行了展望。综述强调，准固态凝胶电解质在延长电池寿命、提升安全性及适应性等方面发挥了重要作用，为碱金属电池的未来研究与应用提供了新思路和方向。

图文导读

I QSGEs成为研究热点

可视化图谱(图1a)清晰显示，近年来更多研究工作聚焦于准固态凝胶电解质(QSGEs)(相关关键词如电解质、锂电池、钠电池和钾电池，来源于Web of Science)。此外，过去十年中关于凝胶电解质的出版物数量持续增加(图1b)，表明相关研究正受到越来越多的关注。凝胶电解质的研究主要集中在锂电池领域，占研究总量的86.52%(图1c)。相比之下，钠电池和钾电池的研究分别占10.22%和3.26%。由此可见，锂电池中凝胶电解质的研究在该领域中占据主导地位。

图1. (a) 近年来锂、钠、钾金属电池电解质研究的可视化图谱；(b) 过去十年中关于凝胶电解质的文献数量变化趋势(数据来源：2024年7月8日Web of Science) 图中使用的缩写及其对应的完整术语如下：GE，凝胶电解质；AMB，碱金属电池；LMB，锂金属电池；SMB，钠金属电池；PMB，钾金属电池；(c) 凝胶电解质相关文献中锂、钠、钾金属电池所占比例(数据来源：2024年7月8日Web of Science)。

II QSGEs研究现状

QSGEs的主要优势可总结如下：(1)能够降低泄漏风险；(2)减少火灾和爆炸的可能性；(3)提供更好的界面稳定性，从而延长电池循环寿命。图2展示了近十年来准固态凝胶电解质的重大进展及代表性研究成果。自2015年起，时间线突出了多项关键创新，如刚柔复合膜、离子液体(Ils)凝胶膜以及无聚合物CH₃COOK凝胶电解质。这些准固态凝胶电解质的创新显著降低了泄漏风险，并最大限度地减少了火灾和爆炸的可能性。此外，准固态凝胶电解质机械强度的提升通过有效抑制枝晶生长，显著改善了界面稳定性。这些凝胶电解质的强韧柔性基质作为物理屏障，防止枝晶穿透并损坏隔膜。这种对枝晶穿透的抑制不仅降低了内部短路的风险，还保持了界面处一致的离子传输路径，从而延长了电池的循环寿命。总之，所有这些进展突显了准固态凝胶电解质在提升电池安全性和寿命方面的关键作用。未来，将开发更多策略以制备高性能准固态凝胶电解质，使其能够更好地应用于商业化电池中。

图2. QSGEs 发展的简要编年史。

III QSGEs的四种功能凝胶

在提升电极-电解质界面(EEI)稳定性方面，自愈合材料与柔性材料的应用可有效降低界面阻抗。通过界面层的自修复或柔性适应，能够保持良好的电化学接触，从而提升电池性能。为缓解易燃性问题，生物质材料提供了不可燃或低易燃性的电解质替代方案，并具备更高的热稳定性和化学稳定性，有助于提升电池安全性。此外，基于生物质的准固态凝胶电解质展现出显著优势，包括天然资源丰富、成本效益高以及离子传输能力增强。使用生物质衍生材料还符合环境可持续发展的目标，这些材料可再生、易于回收，并在电池生命周期结束时可生物降解，从而显著降低电池技术对环境的整体影响。自愈合材料、柔性材料、仿生材料及生物质材料的综合应用，有效解决了准固态凝胶电解质在碱金属电池中面临的挑战，不仅推动了电池技术的发展，还为实现高性能、安全且环境友好的储能解决方案提供了新思路与新方法(图3)。

图3. QSGEs 在 AMBs 中发展的示意图。

3.1 基于硼酸酯、PHFNMA和PMMA的自愈合凝胶电解质

硼酸酯以其动态共价键特性在自愈合材料设计中得到广泛应用。这类化合物通过硼酸与二醇的缩合反应形成硼酸酯键，在适当条件下可发生交换反应，赋予材料优异的自愈合能力和可塑性。硼酸酯键的动态特性不仅使材料能够自主修复，还能通过分子结构修饰优化其机械性能。此外，硼酸酯中的硼原子具有未占据的p轨道，可作为路易斯酸与锂盐中的阴离子相互作用，促进锂离子均匀沉积并增强电解质与锂金属负极的界面稳定性。然而，当前基于硼酸酯的电解质在离子传输效率和电化学稳定性方面仍存在局限性，特别是在长期循环过程中，自愈合效率可能逐渐降低，从而影响电池的整体性能。

图4. a 多功能DB-SHPE的制备过程示意图。b Li/SH-SPE/LFP电池的结构示意图。c 自愈合电解质中抑制锂枝晶的机制示意图。d PIL膜的自修复过程可视化记录。

Xue等人通过利用硫醇与环氧基团的热引发开环反应，开发了具有优异机械强度和界面稳定性的动态硼酸酯基自愈合聚合物电解质(DB-SHPEs)。聚合物电解质的互连结构增强了其机械强度，同时硼酸的分子内交联促进了聚合物链之间的交换反应，使聚合物网络得以重组，从而展现出显著的自愈合性能(图4a)。

聚(六氟异丙基甲基丙烯酸酯-co-N-甲基甲基丙烯酰胺)(PHFNMA)是一种具有独特化学结构的聚合物材料，因其氟化基团赋予的稳定性和甲基丙烯酰胺组分的高极性而受到广泛关注。PHFNMA的氟化侧链赋予材料优异的电化学稳定性和低介电常数，使其特别适用于高压电池系统。此外，PHFNMA表现出优异的柔性和宽带隙，非常适合用于设计自愈合聚合物电解质。通过弱反协同氢键相互作用将PHFNMA与其他聚合物(如单离子锂聚乙烯醇缩甲醛(LiPVFM))结合，可形成具有动态交联结构的自愈合电解质。这种结构不仅增强了电解质的机械强度，还改善了界面稳定性，同时保持高离子电导率。

尽管具有这些优势，聚合物电解质在锂金属电池中的应用仍面临若干关键挑战，主要是锂离子传输速率相对较低和电极-电解质界面稳定性不足，这些问题限制了电解质在高能量密度固态电池中的实际应用。为应对这些挑战，Li等人利用一种新型有机高分子电解质，即自愈合聚合物电解质(SH-SPE)，该电解质结合了PHFNMA和单离子锂化聚乙烯醇缩甲醛。这种电解质材料通过PHFNMA与单离子锂化聚乙烯醇缩甲醛之间的弱反协同氢键作用，赋予SH-SPE卓越的自愈合性能，同时显著提高了材料的韧性。在Li||SH-SPE||LFP电池中，0.5 C下循环超过230次，容量保持率达97.5%(图4b)。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是一种广泛应用于各工业和研究领域的聚合物材料，因其优异的机械强度、光学透明性和化学稳定性而备受青睐。在电解质研究中，PMMA被认为是一种有前途的基材，特别是在锂金属电池中，它提供了优异的电化学稳定性和宽电化学窗口。此外，PMMA具有高热稳定性，能在高温下保持结构完整性，因而在高性能电池系统中具有重要应用潜力。

尽管PMMA基电解质具有化学和热稳定性等优势，但在实际应用中仍存在若干关键问题。特别是室温下PMMA基电解质的离子电导率相对较低，限制了其在高性能电池中的广泛应用。此外，当与锂金属负极接触时，PMMA基电解质容易形成不稳定的界面，导致电极-电解质界面持续退化。这种退化在锂枝晶生长时尤为严重，可能导致固体电解质界面破裂，最终引发内部短路和电池失效。

Yanwen Ma等人最近在这一领域取得了成功，他们将离子液体阳离子(EMIM⁺)引入PMMA，开发了一类新型聚合离子液体(PIL)电解质。该PIL电解质具有自愈合特性，能够自动修复锂金属电池中的电极-电解质界面，从而提升循环稳定性。PMMA骨架提供了耐高温性能，而EMIM⁺通过与Li⁺的共溶剂相互作用改善了锂离子传输性能(图4c)。PIL电解质表现出对锂金属的强粘附性，扫描电子显微镜(SEM)图像显示其表面光滑均匀。透明的PIL薄膜在室温下3小时内可实现自愈合(图4d)，展示了增强的界面粘附性和自修复能力。

3.2 基于共价有机框架(COF)和溶剂化离子液体(SIL)的柔性凝胶电解质

图5. a 基于COF的凝胶电解质(COF-Gel)制备过程示意图。b LFP/Li全电池中CGE集成示意图。c LFP/Li全电池在1C条件下CGE循环性能图。d 溶剂化离子液体基凝胶聚合物电解质(SGPE)表面形貌的SEM图。e SGPE制备方法示意图。

COF是一类通过有机单元共价键合形成的晶体材料，具有卓越的自组装能力和高度可调的结构特性。由于这些独特特性，COF在材料科学领域备受关注，尤其是在电化学储能设备中的应用潜力。COF固有的高度设计灵活性使得结构优化能够精确调控，从而满足特定应用需求。

尽管COF具有令人期待的属性，但在实际应用中仍面临一些显著挑战，特别是在可加工性和实用性方面。传统的COF通常以高度交联的晶体粉末存在，表现出不溶和不熔，严重限制了其加工成特定形状或集成到柔性电化学设备中的能力。这种固有的局限性在电解质材料中尤为突出，因为在锂金属电池应用中，高可加工性和柔性是至关重要的。因此，COF在这些领域的应用受到限制，亟需进一步创新来克服这些挑战。为了解决COF的这些不足，Liu等人提出了一种通用侧链工程策略，通过侧链工程技术实现了COF材料的凝胶化(图5a)。该方法利用支链烷基侧链作为内部增塑剂，并巧妙地设计不同长度的支链烷基侧链单体，有效控制了COF材料由固态向凝胶态的转变。由于其高可加工性和柔性，这种创新的COF凝胶可以很容易地加工成具有特定形状和厚度的凝胶电解质，并展现出长循环寿命和显著降低的副反应。对COF-Gel电解质(CGE)在LFP/Li全电池中的电化学性能评估(图5b)表明，在1C电流密度下，CGE全电池在第四个循环后可实现151.1 mAh g⁻1的放电容量，并在1108个循环后保持147.7 mAh g⁻1的放电容量，容量保持率为97.36%(图5c)。

溶剂化离子液体(SIL)是一类通过溶剂分子与金属盐之间特定相互作用形成的离子化合物。这些液体保留了传统离子液体的基本特性，并因溶剂分子的参与而形成独特的复合体系。由于其高度可调的化学组成和强离子相互作用，SIL表现出高热稳定性、宽广的电化学窗口和低挥发性，使其在锂金属电池等储能设备中展现出极大的应用前景。与传统离子液体不同，SIL具有稳定的溶剂化结构，其中溶剂分子与锂离子紧密配位。这一独特特性在提高锂离子电导率和改善电解质安全性方面具有显著优势。

尽管SIL在锂金属电池中展现出高热稳定性和宽电化学窗口等众多优势，但在实际应用中仍面临一些关键挑战。其中主要的缺点之一是其高粘度，这主要源于其完全离子化的特性和离子间的强相互作用。此外，SIL中其他阳离子和阴离子可能与锂离子传输竞争，从而降低锂离子迁移数。这些限制表明，需要进一步研究以优化SIL在先进储能系统中的更广泛和高效的应用。在此背景下，Gao等人开发了一种新型基于溶剂化离子液体的凝胶聚合物电解质(SGPE)(图5d)，通过创新的方法利用高效光固化过程，在仅30秒内实现了SIL的凝胶化，形成了SGPE(图5e)。该SGPE在室温下展现出0.63 mS cm⁻1的离子电导率、1.701 MPa的压缩模量以及216°C的高热分解温度，显示了其优异的机械性能和热稳定性。

3.3 基于离子液体(ILs)的仿生凝胶电解质

离子液体(ILs)是一类完全由阳离子和阴离子构成的液体，具有低易燃性、优异的热稳定性和化学稳定性、宽广的电化学窗口以及高本征离子电导率，从而有助于实现安全且适用于宽温区工作的电池。通过将部分离子液体加入固态电解质中，可有效抑制锂枝晶的生长，同时保持高热稳定性和良好的机械强度，并降低电解质的脆性。理想的离子液体支架应具备高强度、电绝缘性、较大比表面积，并能在与锂盐良好相互作用的同时促进离子的便捷迁移。非活性支架如SiO₂虽然能够防止枝晶生长，但可能降低离子导电性，因此亟需进一步设计以提升电池性能。

蚁巢通常具有多孔、层状及交错的通道系统，提供极高的渗透性和结构稳定性。受这一结构特征启发，Guo等人设计了一种离子凝胶电解质(BAIE)，其利用经过特定功能基团修饰的SiO₂骨架模仿自然蚁巢中快速空气交换的特性(图6a–d)。在该体系中，改性SiO₂充当仿生结构基质，其机械模量足以阻碍锂枝晶的生长；同时，通过原位溶胶-凝胶工艺与硅烷偶联剂的作用，可将离子液体电解质牢固地固定在基体上，从而显著提升锂离子的传导性能。因此，这种具有蚁巢结构的仿生离子凝胶电解质不仅具有高离子电导率，还能在锂阳极表面自发形成保护层，从而有效抑制锂枝晶的生长。在电化学性能评估中，组装的Li/BAIE/Li对称电池在1000小时剥离-镀锂循环过程中展现出极小且稳定的电压极化；在Li/LFP电池中，该体系在60°C、0.1C条件下的初始放电容量为152.4 mAh g⁻1，经过10个循环后几乎没有容量衰减；而在Li/LiNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂电池中，则实现了149.0 mAh g⁻1的高放电容量和约390 Wh kg⁻1的能量密度。另一项采用Li/Li₄Ti₅O₁₂电池对BAIE进行评估的实验显示，在5C高电流密度下，电池以110 mAh g⁻1的倍率容量运行，并在3000个循环中库仑效率始终超过99.8%(图6e)，这一表现位居所有基于离子凝胶电解质的锂金属电池报告之列。该成果为利用仿生理念设计高性能锂金属电池提供了新思路。

生物结构在材料科学领域引发了进一步的发展。在自然界中，植物叶片是优化表面积以最大化太阳能吸收并实现高效光合作用的典型例子。受自然叶片结构的启发，Chen等人采用溶胶-凝胶技术将IL电解质LiTFSI-Py13TFSI浸润于类似叶片结构的Al₂O₃骨架中，制备出一种创新的仿生Al₂O₃基准固态电解质(ASE)。该叶状Al₂O₃骨架展示出丰富的纳米孔结构，比表面积高达101.8 m2 g⁻1，能够吸收大量离子液体电解质，从而加速电池内部及界面处的锂离子迁移，并提升整体离子电导率。具有亲锂特性的Al₂O₃骨架与锂金属紧密相互作用，形成一层快速的Li–Al–O锂离子导电层，有助于锂金属的均匀沉积，从而在长期循环过程中有效抑制锂枝晶的生长。计算分析进一步证实了该Li–Al–O层的稳定性，并显示[Py13]⁺的加入促进了这一锂化过程(图6f–g)。采用该ASE组装的对称锂金属电池在高恒流密度下展现出低界面阻抗和长达1100小时的卓越循环寿命；在Li/LFP全电池中，体系表现出140.7 mAh g⁻1的可逆放电容量，并在30°C、0.1C条件下经过100个循环后仅有4.4%的容量损失。该仿生叶状电解质为实现稳定、可靠的锂金属阳极提供了一种替代体系，有望推动固态锂金属电池在电动汽车及储能领域的应用。

在离子凝胶电解质中掺入离子液体可使锂离子通过“车辆传输”机制进行传导，即锂离子与其第一配位层一同迁移。这种迁移机制有助于形成优良的正极/电解质界面(CEI)，确保良好的界面兼容性并降低锂离子迁移数(tLi⁺)，从而促进锂金属的均匀沉积并防止枝晶生长。然而，这一机制也会阻碍坚固固体电解质界面(SEI)的形成，而SEI正是在固态电解质与锂金属阳极之间生成的。增强的界面兼容性和降低的tLi⁺在一定程度上可能通过自放大机制导致锂沉积不均和枝晶扩展；此外，离子凝胶电解质较差的机械性能也限制了其在锂金属阳极中的应用。

建立一层锂兼容层(LCL)，作为离子凝胶电解质与电极之间的连接层，可能是解决上述问题的一种有效途径。受细胞膜中离子通道的启发，Zhang等人提出了一种突破性的非对称固态聚合物电解质(AMSE)，其具有定制的锂离子迁移机制。该电解质由PAN/IL高电压层(HVL)和聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)/UiO-66-SO₃Li锂兼容层(LCL)构成。HVL通过离子液体的掺入实现“车辆传输”机制，从而降低界面阻抗并实现卓越的循环稳定性；而LCL则通过-SO₃⁻与其他离子之间的不同键合作用，实现了基于UiO-66-SO₃Li仿生离子通道的准单离子迁移机制。COMSOL多物理场仿真和高斯洛伦兹解卷积拉曼分析证实了HVL与LCL中不同的锂离子迁移机制。结果表明，这种非对称结构可在电解质中形成增强的锂离子和电势梯度分布，从而实现锂离子的持续均匀流动(图6h)。

图6. a 蚁巢结构的高分辨图像。b SiO₂骨架的扫描电镜图。c 固定化三烷氧基硅烷偶联剂离子液体的详细反应机理示意图。d 锂离子传输路径的示意图。e 在80°C、5C倍率条件下Li/Li₄Ti₅O₁₂电池的循环性能曲线。f 锂金属与仿生固态电解质之间锂化行为及电镀过程的示意图。g 含有[Py13]⁺与锂原子的Al₂O₃结构优化示意图。h AMSE中锂离子传输机制逐步转变的示意图。

3.4 基于细菌纤维素(BC)和UiO-66 MOFs的生物质凝胶电解质

细菌纤维素(BC)是一种由细菌合成的纳米纤维素材料，其独特的三维多孔网络结构和高比表面积使其在电解质材料研究中受到广泛关注。BC具有优异的机械强度、柔韧性及生物降解性，在环境友好及可持续电池技术中展现出巨大应用潜力。BC分子链上的羟基(-OH)能够与离子液体中的阴离子形成氢键，从而促进锂盐的离解并增强锂离子的迁移能力。

尽管BC在构建柔性凝胶电解质方面具有明显优势，但其固有的高结晶性限制了其在电解质中的膨胀能力及离子导电性。此外，BC与离子液体间的相互作用在长周期循环中可能导致离子分布不均，从而对电池性能的稳定性产生不利影响。Yan等人利用简便的球磨法制备了一种基于生物降解BC的电解质。在该体系中，BC不仅提供了丰富的离子液体附着位点，还构建了利于离子传输的通道；BC分子链上的O–H基团与IL电解质中的阴离子形成氢键，进一步促进锂盐的离解，增加了自由Li⁺离子的浓度。所得到的BC-ILEs电解质展现出优异的热稳定性(分解温度超过300 °C)及较高的离子电导率。如图7a所示，该电解质在Li/LFP电池中的工作机理得到了直观展示，证明了BC作为大分子支架在提供丰富的离子附着位点及锂离子传输路径方面的重要作用。实验结果表明，该基于BC的准固态电解质在高温及室温下均具有优异的电化学性能，同时体现了生物质电解质材料的高生物降解性及环境友好性。

UiO-66 MOFs由锆或铈金属离子与有机配体配位构成，具有极高的比表面积及可调控的多孔结构，可有效筛选并传输锂离子，同时阻隔较大阴离子，从而提高电解质的离子迁移数。此外，UiO-66 MOFs展现出优异的化学及热稳定性，适用于宽温区的工作条件。

在锂金属电池中，界面相容性差及锂枝晶不受控生长是亟待解决的关键问题。UiO-66 MOFs因其能够促进锂离子的均匀沉积、抑制枝晶生长并助力形成稳定的SEI层，被选用于制备凝胶电解质。其独特的结构优势使得基于MOFs的凝胶电解质在宽温范围内均能提供卓越的电化学性能及长循环寿命，即使在高温条件下亦能维持电池稳定运行。

然而，单独使用UiO-66 MOFs可能在实际操作中因界面相容性不足而面临挑战，因此需要进一步通过材料修饰优化MOFs与锂金属阳极之间的相互作用。为此，Huang等人提出了一种基于UiO-66 MOFs的纤维素凝胶电解质。该设计展现出优异的阳极稳定性，在宽温区均保持良好性能。为了进一步提升电池的循环性能，研究团队还开发了一种空心双金属硒化物(FeCo-Se₂/NC)作为硫正极的载体材料。实验结果显示，以FeCo-Se₂/NC@S为正极、L550ACA/L550UiO-66修饰的纤维素凝胶电解质为体系的锂硫电池，在3C倍率下经过500个循环后仍保持687.2 mAh g⁻1的高容量，且容量衰减率仅为0.04%/cycle。如图7b–c所示，在高温工作条件下，L550UiO-66层呈现“温度依赖性粘弹性”特性，其较低的粘度和更佳的流动性使得UiO-66颗粒得以活动，交织的MPEG低聚物松弛，从而构建了连续而快速的锂离子传输通道并降低界面阻抗。COMSOL多物理场仿真结果进一步证实了该电解质在实现锂离子均匀沉积方面的有效性，突显了液态MOFs层在稳定锂金属阳极中的关键作用。

图7. a BC-ILE中，BC与LiTFSI之间相互作用机制的示意图。b L550ACA/L550UiO66电解质对锂阳极的稳定化机制示意图。c 在高温条件下，动态L550UiO66层的拟议机理示意图。

IV 对比和分析QSGEs四种功能凝胶的综合性能

图8对四种凝胶电解质——自愈合凝胶、柔性凝胶、仿生凝胶和生物质凝胶——进行了对比分析，评估了其在六项性能指标上的表现：离子电导率(A)、循环性能(B)、机械稳定性(C)、工作温度范围(D)、不可燃性(E)以及生态可持续性(F)。自愈合凝胶由于其自修复特性，在离子电导率和循环稳定性方面表现突出，但其合成成分对生态可持续性有一定影响。柔性凝胶在机械稳定性和适应性方面表现优异，并在温度范围内展现出均衡的性能。仿生凝胶得益于其仿生结构，具有较高的离子电导率，但在循环稳定性和阻燃性方面稍显不足。生物质基凝胶在生态可持续性方面领先，但其离子电导率和机械强度较低，反映了生物衍生材料的局限性。总体而言，这一对比分析突显了每种凝胶电解质的独特优势与权衡取舍。未来的研究应侧重于混合策略，将自愈合性、柔性和可持续性成分相结合，以提升凝胶电解质在碱金属电池中的综合性能。

图8. AMBs中修复、柔性、仿生及生物质凝胶各项性能指标的比较分析。

V QSGEs在AMBs的未来发展方向

尽管上述的电解质已取得显著进展，但其在碱金属电池中的广泛应用仍面临规模化、长期稳定性和成本等挑战。主要障碍包括提升离子电导率、优化电解质与电极界面的兼容性、增强机械稳定性以及提高环境可持续性。此外，目前对凝胶电解质在整个电池系统中的评估仍存在显著空白。因此，未来研究应优先关注电解质结构的优化、电化学效率的提升，以及与电极材料的协同改进。

图9展示了推动QSGEs在AMBs领域商业化的未来研究方向与方法。其中包括开发新型高性能凝胶电解质材料、创新电解质结构设计，以及深入研究电解质与电极材料之间的相互作用。此外，图中还强调了提升离子电导率、优化机械稳定性以及实现环境友好制备工艺的重要性。这些研究方向的综合推进，有望为准固态凝胶电解质在碱金属电池中的应用提供理论支持和技术突破，为其商业化进程奠定坚实基础。

图9. AMBs领域中QSGEs未来的研究方向与方法。

VI 总结

本文综述了QSGEs在AMBs中的应用，重点讨论了自修复、柔性、生物仿生和生物质凝胶等四种类型的凝胶电解质及其对电池性能和稳定性的影响。研究表明，QSGEs结合了液态电解质的高离子导电性和固态电解质的机械稳定性，能够显著减少液态电解质可能带来的泄漏问题，同时维持良好的电化学性能。自修复技术能够延长电池寿命并增强安全性，柔性凝胶则提高了可穿戴设备和柔性电子产品的适用性。生物仿生设计则通过模拟自然高效结构来提高电池性能。尽管QSGEs在提高AMBs的安全性和适应性方面展现出巨大潜力，但在低温下的离子导电性较差，且化学稳定性仍存在挑战。未来的研究应集中在优化凝胶电解质的离子导电性、热稳定性及环境适应性，以促进其在实际应用中的广泛使用。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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