在改性聚丙烯酰胺（PAM）凝胶电解质中引入1,2-丙二醇（1,2-PG）等共溶剂的主要目的是防止电解质在寒冷条件下冻结。通过从根本上改变水分子相互作用的方式，这些共溶剂可以扩展电池的工作温度范围，使其能够在零度以下的环境中高效运行。
核心机制是1,2-PG利用其羟基破坏水分子的天然氢键网络。这种分子干扰可以防止冰晶形成，降低冰点，并确保电池在极寒条件下仍能保持高离子电导率。
抗冻机制
要理解1,2-PG为何有效，必须审视凝胶电解质内部的分子相互作用。目标是阻止水分子组织成固体结构。
破坏氢键
水分子通过氢键自然形成结构化网络，这会导致在0°C时冻结。
1,2-PG含有羟基，这些羟基与水分子发生强烈的相互作用。
这种相互作用有效地“中断”了水分子之间的连接，破坏了现有的氢键网络。
防止结晶
通过破坏这个网络，共溶剂诱导了分子层面的重组。
这种无序状态使得水分子难以排列成冰形成所需的有序晶格。
因此，水的低温结晶受到显著抑制。
操作优势
1,2-PG引起的化学变化直接转化为电池系统的性能指标。
扩展温度范围
防止结晶的直接物理结果是降低了冰点。
这扩展了凝胶电解质的有效工作温度范围，使其远低于水的标准冰点。
维持离子电导率
在标准水系电解质中，冻结会阻止离子移动，从而使电池失效。
由于改性PAM凝胶在零度以下环境中保持流体（或非结晶）状态，因此它能保持高离子电导率。
即使在极端寒冷的环境下，这也能确保一致的功率输出和性能。
理解物理约束
虽然添加1,2-PG是有益的，但了解其工作原理的物理要求很重要。
强相互作用的必要性
该过程完全依赖于共溶剂的羟基与水分子之间相互作用的强度。
如果相互作用较弱，水分子将恢复其天然的氢键网络，并发生结晶。
分子重组是关键
“抗冻”效应并非被动特性；它需要积极的分子层面的重组。
成功取决于共溶剂在溶液结构排列中占据主导地位的能力，从而阻止水自然结冰的热力学趋势。
为您的目标做出正确选择
在为特定应用设计或选择电解质时，请考虑环境约束。
- 如果您的主要关注点是零度以下可靠性：优先选择含有共溶剂（如1,2-PG）的电解质，这些共溶剂具有强大的羟基，可以主动降低冰点。
- 如果您的主要关注点是离子传输：确保所选的共溶剂能防止结晶，因为离子的迁移率取决于电解质避免进入固态。
通过利用羟基与水之间的相互作用，您可以设计出能够突破标准热限制的电解质。
总结表：
| 特性 | 1,2-丙二醇（1,2-PG）的影响 |
|---|---|
| 主要机制 | 利用羟基破坏水氢键网络 |
| 物理效应 | 降低冰点并防止冰晶形成 |
| 温度范围 | 显著扩展，实现可靠的零度以下运行 |
| 离子电导率 | 由于固化受阻，保持高水平 |
| 关键优势 | 确保在极寒条件下电池性能一致 |
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参考文献
- Jingxuan Zhao. Research Progress on the Antifreeze Performance of Water-based Zinc-ion Batteries Using Polyacrylamide as the Gel Electrolyte Base. DOI: 10.1051/e3sconf/202566601022
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
