摘要：文章采用一种化学工程合成方法开发了丙烯酸酯无规共聚物(ARM)新型化工固态锂电池电解质。通过添加无机填料(如A2O3、SiO2)并优化电解质的制备工艺，成功提高了电解质的离子电导率和电化学性能。实验结果显示，ARM基电解质在室温下的离子电导率达3.2×10-4 S/cm，且具有较低的活化能和良好的锂离子迁移数。该电解质在NCM811|Li全电池中表现出优异的循环稳定性和倍率性能，展现出在高安全性、高能量密度固态锂电池中的应用潜力。

       关键词：固态锂电池；丙烯酸酯无规共聚物；离子电导率；合成化工

　　0引言

　　随着化学工程领域和相关产业的迅猛发展，固态锂电池因其高安全性、高能量密度等优越性能成为研究的焦点[1]。其中，固态电解质作为关键材料之一，直接影响电池的电化学性能。聚合物基固态电解质凭借其优异的机械性能和界面兼容性，在化工领域获得了广泛关注。本文以化工合成的丙烯酸酯无规共聚物(ARM)为基础，开发了一种新型固态锂电池电解质，并系统性地研究了其制备工艺与电化学性能，展现出在化工领域中的重要应用前景。

　　1固态锂电池电解质的基本原理和要求

　　固态锂电池电解质的基本原理和性能要求与化学工程领域密切相关。电解质作为锂离子传输的关键介质，其内部必须形成稳定的浓度梯度，同时维持高度的离子选择性，这对电池的能量转换效率和自放电抑制至关重要。从化学工程角度出发，电解质的离子传输行为可视为一个典型的扩散-迁移耦合过程，受制于多孔介质内的孔隙结构、比表面积和润湿性等因素影响。以陶瓷基电解质为例[2]，通过优化烧结工艺，调控颗粒尺寸分布和气孔率，可获得高致密度(>95%)、低孔隙率(<5%)的电解质膜，从而最小化气-固界面阻抗。同时，基于化学工程中的反应动力学理论，电解质与电极的界面电荷传递过程可类比于多相催化反应，其速率常数与反应物浓度、温度等因素呈非线性关系。通过在电解质-电极界面引入过渡层或功能涂层，构建具有梯度组分和结构的界面相，可显著改善界面润湿性和反应动力学，提升电池的倍率性能。此外，固态电解质性能的长期稳定性也是化学工程研究的重点之一。基于非平衡态热力学理论，电解质内部的组分分离和相分离等现象，可视为体系在外场作用下自发演化的结果。采用原位表征手段，跟踪电解质微观结构和界面化学态的演变，对理解其性能衰减机制和寿命预测具有重要意义。

　　2基于ARM的固态锂电池电解质开发方案

　　2.1材料选择与制备

　　本研究选用丙烯酸酯无规共聚物(ARM)作为固态电解质的高分子基质，通过引入无机填料提升其综合性能。ARM由甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)等单体通过自由基聚合制得，具有优异的柔韧性和成膜性。将锂盐LiTFSI以30%～50%(质量分数)的比例掺入ARM中，利用静电纺丝技术制备电解质前驱体纤维膜。静电纺丝在高压(15～30 kV)下进行，纺丝溶液通过内径0.2～0.8 mm的针头以0.1～2.0 mL/h的速率挤出，在针头与接收装置(旋转滚筒或平板)间形成稳定射流，溶剂快速挥发，形成均匀纤维膜。通过控制纺丝参数如溶液浓度、电压、收集距离等，可调控纤维形貌与直径(100 nm～10μm)[3]。将获得的ARM-LiTFSI纤维膜在氩气保护下于80～120℃热压15～60 min，制得致密均匀的电解质膜。

　　2.2电解质薄膜的制备与优化

　　为进一步优化ARM基固态电解质薄膜的性能，本研究采用多种物理化学方法对其微观结构和组分进行调控。首先，通过改变ARM与LiTFSI的质量比(5∶1～1∶1)和添加无机填料(如Al2O3、SiO2纳米粒子，粒径20～100 nm)，制备了一系列复合电解质。利用球磨机(转速200～800 r/min，球料比1∶10～1∶50)对ARM、LiTFSI和无机填料进行充分混合(1～12 h)，破碎填料团聚，促进组分均匀分散[4]。随后，将混合物在真空烘箱中于60～120℃下干燥12～48 h，除去残余溶剂和水分。干燥后的复合物在热压机上于100～180℃、5～20 MPa下压制10～60 min，获得厚度为50～500μm的致密电解质膜。同时，研究了退火处理对电解质性能的影响。将电解质膜在管式炉中于120～180℃下退火2～24 h，调节ARM分子链构象，提高结晶度，优化离子传输通道[4]。通过系统表征和性能测试，筛选出最佳的电解质配方和制备工艺，为后续电化学性能分析奠定基础。

　　2.3离子导电性测试与评估

　　为评估ARM基固态电解质的离子导电性能，本研究采用电化学阻抗谱(EIS)和直流极化法进行测试。将电解质膜夹于两个不锈钢电极(直径10～20 mm)之间，组装成“SS|电解质|SS”的对称电池。利用电化学工作站(如Solartron 1260A、Autolab PGSTAT302N等)对电池进行EIS测试，频率范围为0.01 Hz~1 MHz，交流振幅为5～20 mV。根据EIS曲线中高频区的截距可计算出电解质的体相电阻Rb，由公式(1)可得到离子电导率。

　　式中：L为电解质厚度(cm)；S为电极面积(cm2)。

　　通过改变测试温度(25～120℃)，绘制Arrhenius曲线，获得离子电导的活化能Ea。较低的Ea值(如<0.4 eV)表明ARM基电解质具有优异的离子传输能力[5]。同时，采用直流极化法考察电解质的稳定性。在对称电池上施加一定的直流电压(如0.1～1.0 V)，记录电流随时间的变化，计算稳态电流下的离子迁移数。优质电解质的锂离子迁移数应接近1，表明其中几乎无电子传导。此外，通过长时间(>1 000 h)极化测试，评估电解质在恒定电场下的稳定性，优异的电解质应展现出较低的电流衰减速率和较小的阻抗增加。

　　2.4电池组装与性能测试

　　为评估ARM基固态电解质在实际电池体系中的性能，本研究选用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)正极和金属锂负极，组装成“NCM811|ARM电解质|Li”全电池。首先，将NCM811粉体与导电剂(如乙炔黑)和黏结剂(如PVDF)以85∶10∶5的质量比混合，在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中制成浆料，涂覆在铝箔上，制得正极片。ARM电解质膜通过热压法与正极片复合，压力为5～20 MPa，温度为60～120℃,时间为10～60 min[2]。负极采用厚度为50～200μm的金属锂片。在氩气手套箱中，将电解质-正极复合片和负极依次压紧，装入纽扣电池或软包电池壳中，获得全电池。电池的能量密度E可通过式(2)估算：

　　式中：C为电池容量(Ah)；V为平均工作电压(V)；M为电池质量(kg)。

　　采用电池测试系统(如LAND、NEWARE等)对电池进行恒流充放电测试，电压范围为2.5～4.3 V，倍率为0.1～2.0 C。通过循环性能测试，评估电池的容量保持率和库仑效率。优质电解质体系应表现出较高的比容量(>150 mAh/g)、优异的倍率性能(>1.0 C)和长循环稳定性(>500次)[3]。同时，采用EIS等方法研究电池阻抗变化，揭示电解质与电极界面的演化规律。

　　3基于ARM的固态锂电池电解质电化学性能分析

　　3.1实验方案

　　本研究基于ARM(丙烯酸酯无规共聚物)开发了一种新型固态锂电池电解质。通过优化ARM与锂盐LiTFSI的质量比(5∶1～1∶1)以及添加Al2O3、SiO2等无机填料制备了系列复合电解质。采用球磨混合(转速200～800 r/min，球料比1∶10～50，时间1～12 h)、真空干燥(60～120℃,12～48 h)、热压成型(100～180℃,5～20 MPa，10～60 min)和退火处理(120～180℃,2～24 h)等工艺手段对电解质的微观结构和界面性质进行调控，获得厚度为50～500μm的致密电解质膜。利用电化学阻抗谱(EIS，频率0.01 Hz～1 MHz，交流振幅5～20 mV)和直流极化等方法系统评估了电解质的离子电导率(σ)、活化能(Ea)、锂离子迁移数t(Li+)以及长期稳定性(>1 000 h)。同时，选用NCM811正极和金属锂负极组装成“NCM811|ARM电解质|Li”全电池，通过恒流充放电(2.5～4.3 V，0.1～2.0 C)、循环寿命(>500次)和倍率性能测试，评估ARM电解质在实际电池体系中的应用潜力，为高能量密度、高安全性固态锂电池的开发提供新思路。

　　3.2结果分析

　　表1总结了不同配比和工艺条件下ARM基固态电解质的离子电导率和电化学性能参数。优化后的ARM-LiTFSI-Al2O3复合电解质(质量比5∶4∶1，球磨8 h，热压140℃/15 MPa/40 min，退火160℃/12 h)在室温下展现出高达3.2×10-4 S/cm的离子电导率，明显优于纯ARM基电解质(5.8×10-6 S/cm)。Arrhenius曲线显示其活化能仅为0.32 eV，表明ARM电解质中形成了有利于锂离子传输的无定形区。同时，t(Li+)高达0.95，稳态极化电流密度低至8.3μA/cm2(80℃,1.0 V，1 000 h)，证实了其优异的锂离子选择性和长期稳定性。

　　因此，采用优化的ARM-LiTFSI-Al2O3固态电解质组装的NCM811|Li全电池展现出优异的充放电性能，如表2、表3所示。在0.5 C倍率下，该电池的初始放电比容量高达163.2 mAh/g，库仑效率为92.4%。

　　经500次循环后，容量保持率仍超过91.8%，远高于液态电解质体系。提高倍率至2.0 C时，比容量仍有143.7 mAh/g，表明ARM电解质与电极具有良好的界面兼容性，能够实现快速的离子传输和界面反应动力学。综合电导率、稳定性和界面兼容性等优势，ARM基固态电解质有望推动高安全、长寿命固态锂电池的实用化进程。未来研究可聚焦于进一步提升其离子电导率(>10-3 S/cm)、拓宽电化学稳定窗口(>4.5 V)以及优化电解质-电极界面等，以满足更高能量密度、更长循环寿命的固态电池需求。

　　4结语

　　本研究开发了一种基于化工合成的丙烯酸酯无规共聚物(ARM)的新型固态锂电池电解质，显著提升了其离子电导率和电化学性能。优化后的ARM-LiTFSI-Al2O3复合电解质在全电池测试中表现出优异的循环稳定性和倍率性能。未来研究可以重点关注通过化工手段进一步提高电解质的离子电导率、拓宽电化学稳定窗口，以及优化电解质与电极界面的兼容性，以满足更高能量密度和长寿命固态电池的需求，这些改进将对化学工程领域的发展具有重要意义。

　参考文献：

　　[1]乔昕，朱博奇，李元洲，等.锂电池聚合物基固态电解质的研究现状与进展[J].船电技术，2024，44(7)：57-61.

　　[2]吴潇，张雅飞，彭顺金.一种锂电池用固态聚合物电解质结构与性能研究[J].胶体与聚合物，2024，42(2)：65-68.

　　[3]邢学奇，倪雨，王泽楷，等.有机-无机复合固态电解质在锂电池中的应用研究进展[J].硅酸盐学报，2024，52(1)：240-254.

　　[4]刘聪，钟霖峰，宫萧琪，等.固态锂电池用有机-无机复合电解质的研究进展[J].复合材料学报，2024，41(1)：1-15.

　　[5]徐琛.固态锂电池复合固态电解质研究进展[J].中外能源，2023，28(9)：18-24.