凝胶聚合物电解质在阀控式铅酸电池中的研究进展与展望

作者及机构
本文由Bipin S. Chikkatti、Ashok M. Sajjan*（通讯作者）和Nagaraj R. Banapurmath共同完成，作者单位包括印度KLE Technological University的化学系（Department of Chemistry）与机械工程学院材料科学卓越中心（Centre of Excellence in Material Science, School of Mechanical Engineering）。该综述发表于*Journal of Power Sources*，2026年出版，卷662，文章编号238769。

主题与背景
本文是一篇系统性综述，聚焦于凝胶聚合物电解质（Gel Polymer Electrolytes, GPEs）在阀控式铅酸电池（Valve-Regulated Lead Acid Battery, VRLA）中的应用进展。VRLA电池因其成本低、安全性高和可回收性强的特点，在能源存储系统中占据重要地位。然而，传统电解液（如吸收式玻璃毡（AGM）和液态硫酸）存在高温性能差、自放电率高、循环寿命短等问题。GPEs通过结合聚合物基体的机械稳定性和液态电解质的离子传导性，为解决这些问题提供了新思路。

主要观点与论据

1. GPEs的优势与挑战
   GPEs在VRLA电池中表现出显著优势：

   • 安全性：凝胶结构防止电解液泄漏，适用于极端温度环境（如-40°C至50°C）。
     
   • 性能提升：通过添加纳米材料（如气相二氧化硅（fumed silica）、聚硅氧烷（polysiloxane）），可优化离子电导率（达7.85 mS/cm）和机械强度。
     
   • 循环寿命：GPEs抑制气体析出和酸分层，延长电池深循环寿命（可达500次以上）。
     *挑战*包括室温下离子电导率较低、制备工艺复杂，以及电极-电解质界面稳定性问题。
     

2. 关键材料与技术进展

   • 气相二氧化硅（Fumed Silica）：作为传统凝胶剂，其三维网络结构通过氢键固定硫酸电解液。优化浓度（5-6 wt%）可提升质子传导性，但过量会增大内阻。
     
   • 聚合物基体：如聚乙烯醇（PVA）和聚硅氧烷。PVA因羟基基团易与添加剂（如TiO₂、MnO₂）交联，形成多孔结构，增强离子迁移；而聚硅氧烷的Si-O键柔性赋予其优异的耐温性（-123°C至高温）。
     
   • 纳米添加剂：例如硫掺杂氧化石墨烯（S-GO）可将电荷转移电阻（Rct）降至3.077 Ω·cm⁻²；TiO₂纳米颗粒则通过抑制硫酸铅结晶减少电极腐蚀。
     

3. 电化学性能优化

   • 表征技术：通过循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和恒电流充放电（GCD）评估GPEs性能。例如，PVA-20 wt% TEOS（正硅酸乙酯）电解质的放电容量达3.405×10⁻⁵ Ah，较传统硫酸电解液提升3倍。
     
   • 界面工程：聚硅氧烷基GPEs通过开孔结构促进氧复合反应，减少水损耗，使电池在部分荷电状态（PSOC）下仍保持高效。
     

4. 应用与性能对比

   • 温度适应性：GPEs在高温（50°C）下仍能维持80%容量，而AGM电池性能显著下降。
     
   • 循环稳定性：添加0.6 wt%勃姆石（boehmite）的GPEs，其腐蚀电流（Icorr）低至3.557 A，延长电池寿命。
     
   • 商业化案例：Tang等开发的聚硅氧烷基GPEs在12V/75Ah电池中，循环寿命超过常规硅胶电解质（CSGE）20%。
     

研究意义与价值
本文首次系统总结了GPEs在VRLA电池中的研究全貌，提出以下方向：
- 可持续性：开发可生物降解聚合物（如PVA）和绿色合成工艺。
- 规模化：优化纳米填料（如石墨烯）的分散方法以降低成本。
- 多场景应用：GPEs适用于可再生能源存储、电动汽车备用电源等领域，推动高安全、长寿命储能系统发展。

亮点与创新
1. 材料创新：首次将硫掺杂氧化石墨烯（S-GO）引入GPEs，提升电导率。
2. 方法学：通过机械分散调控二氧化硅纳米颗粒的凝胶时间（如戊四醇添加剂缩短至10分钟）。
3. 跨学科整合：结合电化学测试与材料表征（SEM、XRD），揭示凝胶微观结构与宏观性能的关联。

未来展望
需进一步解决GPEs的界面相容性和大规模制备工艺问题，同时探索新型聚合物（如自修复凝胶）以应对复杂工况需求。