盖世汽车讯 从手持电话到医疗设备和交通工具，许多重要技术都依赖于可充电电池。现代高端可充电电池通过在电极间传输锂离子来储存和释放能量。然而，正如许多网络视频所展示的那样，电池中的电解质可能带来严重的安全隐患，导致过热的笔记本电脑、电动自行车、汽车等设备起火。

聚合物离子液体（PIL）是一种不易燃的电解质（离子导电）聚合物，为锂离子电池和锂金属电池以及其他技术（包括薄膜晶体管和致动器）带来了巨大的应用前景。遗憾的是，室温下离子传导性能最佳的PIL往往质地非常柔软，这降低了材料的功能性，使其在器件应用中面临挑战。

据外媒报道，为了解决上述问题，田纳西大学（University of Tennessee）的研究人员将PIL与另一种刚性更强的聚合物结合，制成了一种嵌段共聚物。田纳西大学诺克斯维尔分校化学与生物分子工程系教授Gila Stein表示：“由于不同的嵌段互不相容，这种嵌段共聚物能够自发组装成有序的纳米结构。”

图片来源：田纳西大学

这些有序的纳米结构——每个长度仅为十亿分之一米——赋予了PIL嵌段共聚物许多有用的特性，包括离子传输和机械性能。

Stein实验室的博士生Samuel Adotey表示：“嵌段共聚物是化学和自组装的奇妙结合。即使是化学性质的微小变化，也会显著影响材料的组织方式和性能。这种持续不断的发现潜力使得研究嵌段共聚物极具吸引力。”

然而，嵌段共聚物的离子电导率——衡量离子在材料中移动难易程度的指标——可能比其他性质相近的PIL均聚物（单一材料聚合物）的电导率低一到两个数量级。

在过去的两年里，该团队合成了一系列嵌段共聚物，并研究了其结构变化如何影响其自组装和最终的离子电导率。Stein表示：“自组装过程存在很多缺陷。我们认为，其中一些缺陷很可能就像‘死胡同’一样，阻碍了离子从材料中逸出。”

该团队于去年秋季在《Macromolecules》期刊上发表了他们的研究成果。

Stein和Adotey利用PIL嵌段共聚物来验证他们的理论。这种共聚物能够自组装成清晰的层状结构，即层状晶粒。

Adotey解释说：“与不规则或无序的区域不同，该体系形成交替的片层，清晰地展示了离子组分如何影响嵌段共聚物的间距、迁移率和结构稳定性。这种有序的形貌为理解离子功能如何影响材料的性能提供了更好的基础。”

Stein和Adotey制备了十几种不同的含PIL的材料，其中包括能够自组装成理想层状晶粒的材料，以及一些能够形成不对称结构的材料。

他们对这些嵌段共聚物在宽广的温度和压力范围内的材料特性和离子动力学进行了表征。

研究团队证实，层状晶粒状PIL材料的低电导率确实是由于之前假设的“死胡同”造成的。更重要的是，研究人员开发了可用于控制纳米结构电解质中缺陷类型的分子设计指南，从而使嵌段共聚物的离子电导率提高一个数量级甚至更多。

Adotey表示：“这项研究加深了我们对如何设计在实际条件下保持纳米级结构的PIL嵌段共聚物的理解。通过适当的分子设计，这些材料可以定制用于下一代电池系统和其他需要兼具离子电导率和机械强度的技术。”