Thymol–Menthol Deep Eutectic Solvent as a Functional Additive for PEO-Based Solid Polymer Electrolytes

在追求更安全、更高效电池的过程中，科学家们长期以来一直在寻找超越当今设备所使用的液体电解质的新途径。虽然液体效果良好，但它们存在泄漏、蒸发和易燃的风险。这促使研究方向转向固态聚合物电解质，即可以导电且没有液体危险的柔性塑料薄片。这些薄片最常用的材料是一种名为聚氧化乙烯的聚合物。然而，这种材料有一个顽固的弱点：它在室温下过于僵硬和坚硬，导致离子——即携带能量的微小带电粒子——难以快速穿过它。为了解决这个问题，研究人员通常尝试软化塑料或添加有助于离子更轻松滑动的物质，但寻找一种既有效又环保的添加剂仍然是一个重大挑战。

来自马来西亚的一个研究小组通过向自然寻求解决方案，对这一问题采取了全新的方法。他们研究了一种被称为深共晶溶剂的特定混合物，这种混合物是通过结合两种常见的天然化合物——存在于百里香中的百里香酚和薄荷中的清凉成分薄荷醇而制成的。当按特定比例混合时，这两种固体会融合成室温下的透明、稳定的液体，其行为类似于溶剂，但没有传统化学品的毒性。研究人员旨在观察这种绿色液体是否可以作为添加剂，来软化僵硬的聚氧化乙烯薄片并提高其导电能力。

团队首先创建了几个版本的百里香酚-薄荷醇液体，通过测试两种成分的不同比例，以找到最稳定的形式。他们测量了密度和表面张力等物理性质，以了解分子是如何相互作用的。他们发现，含有四份薄荷醇和一份百里香酚的混合物形成的液体具有最低的密度和表面张力，这表明其分子结构非常有序且具有流动性。在将这种液体添加到电池材料之前，他们确认了聚氧化乙烯可以溶解在其中，使其膨胀并变成半透明凝胶，这表明两种物质是兼容的，并且已准备好进行组合。

接下来，研究人员将这种液体添加剂混合到聚氧化乙烯中，以制造出一种新的固体薄膜。为了从分子层面理解发生了什么，他们使用了一种称为傅里叶变换红外光谱的技术，这种技术就像是化学物质的指纹扫描仪。结果显示，百里香酚和薄荷醇中的羟基与聚合物链中的氧原子形成了强键。这种相互作用至关重要，因为这意味着添加剂不仅仅是停留在表面，而是深度整合到了塑料的结构中，有效地松开了聚合物链之间紧密的抓握。

随后，团队使用电化学阻抗谱法测试了这些新薄膜的导电性能。他们将纯聚合物薄片与含有不同量百里香酚-薄荷醇添加剂的薄片进行了对比。纯聚合物是较差的导体，但只要引入添加剂，其携带电荷的能力就会显著提高。表现最佳的是含有最高含量薄荷醇的混合物，特别是那种薄荷醇与百里香酚比例为四比一的混合物。这种特定的混合物使材料能够以 1.28 × 10⁻⁶ S cm⁻¹ 的速率导电，这比未改性的材料有了实质性的提升。研究人员将这一成功归功于混合物较低的黏度，这为离子提供了更多的移动空间，以及百里香酚独特的化学结构，它有助于促进电荷的流动。

最后，研究人员检查了这些新材料在热量下的稳定性。他们发现，虽然纯百里香酚-薄荷醇液体在相对较低的温度下就会分解，但一旦被锁定在聚合物基质内部，它就会变得稳定得多。生成的固体薄膜可以承受远高于典型电池运行所需的温度，证明了该添加剂并未损害最终产品的安全性或耐用性。研究结论指出，使用这种天然、绿色的液体作为添加剂，是使固态聚合物电解质更高效的一种极具前景的策略。虽然研究人员指出，仍需进一步工作来优化该材料以用于现实世界的设备，但他们的发现表明，简单的环保成分可以显著增强下一代电池组件的性能。