近日，湖南大学张世国教授团队通过一种简单、环保的方法制备了含锂盐的超分子离子凝胶（SIG），并将其作为锂离子电池的新型准固态电解质。作者采用了一种特殊的低分子量凝胶剂（12-HOA），可以在浓度仅为2 wt%的情况下通过氢键和范德华力的协同作用，“固化”含锂盐的离子液体电解质。相比之下，大部分常规的低分子量凝胶剂无法将含锂盐的离子液体电解质“固化”。由此制备而成的物理离子凝胶具有与离子液体电解质相似的高离子电导率、高的锂离子迁移数和优异的电化学稳定性。此外，SIG还表现出独特的热可逆凝胶-溶胶相变特性，从而有效降低了电极/电解质之间的界面阻抗，由SIG组装而成的锂电池具有较高的容量和长期的循环稳定性。相关成果以“Physical ionogels with only 2 wt % gelators as efficient quasi-solid-state electrolytes for lithium batteries”为题，发表在Matter上。

图1，低分子量凝胶剂的筛选及凝胶机理

通过比较不同凝胶剂在溶剂化离子液体（SIL）中的成胶能力，确定12-HOA为本工作所选最优低分子量凝胶剂。SIG的制备过程非常简单，在没有任何共溶剂的情况下，首先加热SIL和12-HOA的混合物以促进12-HOA分子在SIL中的溶解，然后冷却至室温即可形成不透明的白色SIG，其内部为直径约为100 nm的紧密交织的纤维网络。通过傅立叶变换红外光谱的结果确定了氢键和范德华力在12-HOA自组装过程中的重要性，具体为：两个12-HOA单体通过羧基上的氢键连接起来以形成二聚体，然后再通过羟基的氢键以及烷基链之间的范德华力相互连接形成网络结构。

图2，超分子离子凝胶电解质的物理化学性质

12-HOA在SIL中的临界凝胶化浓度为1 wt%。随着凝胶剂含量从1 wt%升至5 wt%，SIG的储能模量从114.6 Pa升高至1.1×10⁶ Pa。此外，变温流变测试的结果表明SIG的相变温度（T_gel）在57 °C左右，且随着12-HOA浓度的提高T_gel仅略有上升。通过对比具有不同12-HOA含量的SIG的离子电导率发现，12-HOA的浓度对电导率没有显著影响，且含有2 wt% 12-HOA的SIG（记为S-SIG-2）在室温下具有与SIL接近的高离子电导率。拉曼光谱结果表明，在室温下SIG所含的自由形态的TFSI阴离子比SIL中的更少，但在较高温度下SIG所含的自由形态TFSI阴离子比SIL多。这是因为12-HOA分子在室温下自聚集，减少了其与Li⁺的相互作用。当温度升高时，溶胶中流动的12-HOA分子与Li⁺发生相互作用，导致自由形态TFSI阴离子的含量增加。

图3，超分子离子凝胶的电化学特性及其与锂金属负极的相容性