综述：用于电池应用的可持续聚合物

《Progress in Polymer Science》：Sustainable Polymers for Battery Applications

　　本综述系统探讨了可持续聚合物在电池领域的前沿进展。文章指出，面对合成聚合物带来的环境挑战及电池产业对可持续发展的迫切需求，源自生物质或通过绿色循环工艺获得的可持续聚合物，在固态聚合物电解质（SSE）、粘结剂、隔膜及有机电极材料等关键组件中展现出巨大潜力。作者强调，这类材料不仅能减少对石油资源的依赖、消除有毒溶剂使用，还有望提升电池能量密度与安全性，是实现“双碳”目标下电池技术绿色变革的关键路径。尽管目前仍面临性能与成本等挑战，但其发展前景广阔。

　　

用于电池应用的可持续聚合物

合成聚合物以其耐用性、低成本和功能性已成为现代生活不可或缺的一部分，但同时也带来了显著的环境问题。另一方面，储能设备，特别是可充电电池，对于日常便利性至关重要，并且从智能手机到个人电脑和电动汽车等各种应用的需求正在呈指数级增长。作为实现“碳达峰与碳中和”的关键技术，电池的可持续性为聚合物的发展确立了关键目标。源自天然原料或绿色过程（如回收和升级回收）的可持续聚合物，已成为可持续电池制造中有前途的候选材料。

可持续聚合物与电池技术的交汇

可持续聚合物是指能够按需生产而不消耗不可再生资源的材料，其设计旨在最小化整个生命周期对环境的影响，并使用可再生原材料而非石油资源来生产。需要指出的是，可持续聚合物并不等同于可生物降解聚合物；相反，所有生物可再生聚合物都可被视为可持续聚合物，其可持续性体现在可以被回收或升级回收以减少长期废物。与化石基聚合物相比，可持续聚合物在其制备和使用过程中有助于维持既定的环境稳态平衡。它们主要分为三类：生物基聚合物、回收聚合物和升级回收聚合物。

电池，尤其是可充电电池，是重塑全球能源格局以及在从化石燃料向可持续能源过渡过程中实现“双碳”目标的重要技术。可充电电池包括四个核心部件：正极、负极、电解质和隔膜。聚合物的特性显著影响电池的性能和寿命，例如在固态电解质（如聚环氧乙烷，PEO）、正极粘结剂（如聚偏氟乙烯，PVDF）和隔膜（如聚乙烯/聚丙烯，PE/PP）中发挥着关键作用。

目前主导市场的锂离子电池（LIB）的能量密度已接近其理论极限，且其所有组件均来源于可耗竭材料，回收挑战巨大。因此，开发LIB的替代品和提高LIB的可回收性是实现未来电池可持续性的双管齐下的方法。替代技术包括锂金属电池（LMB）、锂氧（Li–O₂）电池、锂硫（Li–S）电池以及各种金属离子电池（如Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Al³⁺等）。LMB使用锂金属负极，具有极高的理论容量，但面临枝晶生长等挑战，固态电解质（SSE）技术有望解决这些问题。

可持续聚合物在电池组件中的应用

可持续聚合物，特别是天然生物聚合物，具有资源丰富、环境友好以及含有多种官能团（如–OH, –NH₂, –COOH等）的优势，其天然的1D或3D结构使其能够作为添加剂或基质用于增强机械强度或构建通道网络。

在固态聚合物电解质（SPE）领域，可持续聚合物如纤维素、壳聚糖、淀粉及其衍生物被广泛研究。例如，基于纤维素的SPE显示出良好的离子电导率（σ）和机械性能；引入离子液体或无机填料可进一步增强其性能。与传统的聚环氧乙烷（PEO）基SPE相比，这些生物聚合物基SPE往往具有更好的热稳定性和环境友好性。

在粘结剂方面，可持续聚合物正被探索用以替代传统的PVDF。例如，羧甲基纤维素（CMC）、海藻酸钠等水性粘结剂不仅环保，而且对电极活性物质（如硅负极、硫正极）具有优异的粘结性能和适应性体积变化的能力，有助于提升电池的循环稳定性。

对于隔膜，生物聚合物如纤维素、甲壳素等被用于制备多孔膜，其良好的润湿性、热稳定性和电解液保持能力有助于改善电池性能。回收的聚烯烃隔膜（如PE、PP）经过适当处理后也可被重新用于组装新电池，研究表明其电化学性能与原始隔膜相当。

此外，可持续聚合物本身也可作为有机电极材料的活性物质，例如基于醌类、聚酰亚胺等的聚合物电极，它们来源于可再生资源且可能具有可逆的氧化还原活性。

可持续与可回收电池的未来展望

电池的可持续性是一个系统性特征，不仅包括原材料的可回收性，还包括制造过程的可持续性和寿命终止选项的可持续性。从矿石开采或合成分离过程到电池组装，制备电池组件需要大量的能源消耗，产生碳排放，并依赖于稳定的供应链。原材料回收可以缓解供应链压力并减轻环境影响。

尽管在回收LIB的金属基组件方面取得了进展，但对塑料基组件（如隔膜、电解质和粘结剂）的回收技术开发却远远不足。研究表明，从废LIB中回收PVDF粘结剂和聚烯烃隔膜是可行的，回收的材料可以重新用于电池制造并保持一定的电化学性能。升级回收过程，例如将废隔膜转化为高价值的碳材料，也显示出巨大的潜力。

将可持续聚合物整合到电池技术中，通过使用生物基或回收聚合物替代传统的石油基聚合物，为增强电池的可回收性和环境可持续性提供了一条有前景的途径。这需要材料科学家、化学家和工程师的共同努力，以解决可持续聚合物在性能、工艺和成本方面的挑战，最终实现电池技术绿色变革的宏伟目标。