中國粉體網(wǎng)訊 單一的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)或聚合物固態(tài)電解質(zhì)體系難以滿足全固態(tài)電池的實(shí)際應(yīng)用需求。將聚合物基體和無機(jī)填料復(fù)合后得到的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)能夠?qū)煞N體系“取長補(bǔ)短”，表現(xiàn)出較好的綜合性能。通過聚合物和無機(jī)填料的協(xié)同作用，有機(jī)-無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)將無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性、高離子電導(dǎo)率的優(yōu)點(diǎn)與聚合物固態(tài)電解質(zhì)的質(zhì)軟、易加工的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了結(jié)合，使得其在離子電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能等方面都有較大的提升。
聚合物基體的選擇大同小異，多為PEO；而加入聚合物中的無機(jī)填料種類較多，主要可以分為惰性填料——非鋰離子導(dǎo)體（SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2等）和活性填料——鋰離子導(dǎo)體（LLZO、LLTO、LATP、LGPS等）兩大類。惰性填料其機(jī)理是通過抑制聚合物的結(jié)晶，降低結(jié)晶度，使得聚合物鏈段運(yùn)動(dòng)更活躍，從而提高離子電導(dǎo)率，活性填料則為可進(jìn)行離子傳導(dǎo)的無機(jī)物。相比于惰性填料，活性填料提升電解質(zhì)性能的優(yōu)勢(shì)更顯著，受到更多的討論與關(guān)注。
室溫下復(fù)合電解質(zhì)中常用的無機(jī)填料
一般認(rèn)為，在填料/聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中，Li+至少有兩種傳輸路徑：①含有鋰鹽的聚合物基體；②填料與聚合物基體的兩相界面。一方面，填料的加入破壞了聚合物基體的鏈段排列結(jié)構(gòu)，并促進(jìn)了聚合物鏈段的弛豫和節(jié)段運(yùn)動(dòng)，最終表現(xiàn)為聚合物基體的熔點(diǎn)（Tm）、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以及結(jié)晶度的下降；另一方面，填料的酸性表面與聚合物基體中的鋰鹽存在路易斯酸堿對(duì)效應(yīng)，促進(jìn)了鋰鹽的進(jìn)一步解離，提高了聚合物中自由Li+濃度，而且該路易斯酸堿對(duì)效應(yīng)在填料和聚合物的連續(xù)兩相界面表現(xiàn)更為明顯。除此之外，活性填料有更復(fù)雜且特殊的導(dǎo)電行為，首先由于其本身就是Li+的傳輸路徑；其次活性填料與聚合物形成的兩相界面存在由Li+遷移至晶體表面的缺陷反應(yīng)形成的空間電荷區(qū)，連續(xù)的空間電荷區(qū)也是Li+的傳輸路徑。因此，使用活性填料由于可以獲得更多的Li+傳輸路徑，相比惰性填料對(duì)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率的提升效果更明顯。
常見復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的組成及特點(diǎn)
無機(jī)填料的性能是影響復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素。無機(jī)填料與聚合物基體之間的相互作用和結(jié)合方式是近年來研究的熱點(diǎn)。目前，復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)主要有三種設(shè)計(jì)思路：①向聚合物基體中添加惰性或活性填料；②構(gòu)建有機(jī)/無機(jī)雙層或多層結(jié)構(gòu)；③向三維無機(jī)骨架中填充有機(jī)相組分。
針對(duì)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的研究，業(yè)界已經(jīng)有了不少進(jìn)展。但該類電解質(zhì)仍然面臨許多挑戰(zhàn)，包括離子電導(dǎo)率、電化學(xué)窗口、固固界面問題、兩相相容性等方面存在的關(guān)鍵問題還需要作進(jìn)一步的探索。比如，當(dāng)聚合物電解質(zhì)與活性填料復(fù)合時(shí)，電解質(zhì)性能的提升顯著。但聚合物電解質(zhì)與無機(jī)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率存在量級(jí)上的差別，離子傳輸機(jī)理的研究仍然不夠深入。兩相在離子傳輸中扮演的具體角色，以何種方式復(fù)合才能形成最優(yōu)的離子傳輸路徑，達(dá)到理想的離子電導(dǎo)率，這些問題仍需要進(jìn)一步研究。再比如，對(duì)于有機(jī)–無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，固固界面接觸不良、鋰枝晶、界面反應(yīng)等問題是目前研究的熱點(diǎn)。復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中包含有機(jī)和無機(jī)兩相，使得兩相間、兩相與電極間的界面情況變得更為復(fù)雜，要減小界面電阻、實(shí)現(xiàn)理想的界面接觸仍然是一大挑戰(zhàn)。特別是對(duì)于界面空間電荷層效應(yīng)的研究更是缺乏。
針對(duì)固態(tài)電池相關(guān)的技術(shù)、材料、市場(chǎng)及產(chǎn)業(yè)等方面的問題，中國粉體網(wǎng)將在常州舉辦第四屆高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)大會(huì)。為致力于固態(tài)電池技術(shù)開發(fā)的企業(yè)，科研院校，以及電動(dòng)車、儲(chǔ)能、特種應(yīng)用等終端企業(yè)提供信息交流的平臺(tái)，開展產(chǎn)、學(xué)、研合作，共同推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。屆時(shí)，福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長張久俊教授將作題為《復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的關(guān)鍵材料與先進(jìn)結(jié)構(gòu)》的報(bào)告。報(bào)告將從基本原理、關(guān)鍵材料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)以及原位測(cè)試方法、人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等方面對(duì)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行深入分析，總結(jié)并提出固態(tài)電池面臨的主要挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。
專家簡介：
張久俊，加拿大皇家科學(xué)院院士、加拿大國家工程院院士、加拿大工程研究院院士、國際電化學(xué)會(huì)會(huì)士、英國皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士、國際電化學(xué)能源科學(xué)院主席，英屬哥倫比亞大學(xué)、滑鐵盧大學(xué)、北京大學(xué)、天津大學(xué)、中國科學(xué)院等18所大學(xué)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)榮譽(yù)/兼職教授，廣西自治區(qū)人民政府主席院士顧問，山西省人民政府特聘院士專家，加拿大聯(lián)邦政府國家研究院（NRC）前首席科學(xué)家。現(xiàn)任福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長、上海大學(xué)可持續(xù)能源研究院院長、中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)常務(wù)理事、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)分會(huì)主任委員及中國有色金屬學(xué)會(huì)新能源材料發(fā)展委員會(huì)副主任委員。2014-2022年連續(xù)9年被評(píng)為全球科技工程界論文最高引用（Top1%）科學(xué)家，被湯森-路透社評(píng)為“全球3000名最具影響力的科學(xué)家之一”。2018年被第四屆國際電化學(xué)能源和技術(shù)大會(huì)授予終身成就獎(jiǎng)，2021年獲上海市白玉蘭紀(jì)念獎(jiǎng)，2022年獲中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（排名第一）。
參考來源：
習(xí)磊等.應(yīng)用于全固態(tài)鋰電池的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)研究進(jìn)展
賈婉卿等.鋰離子電池中有機(jī)-無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的研究進(jìn)展
刁慶宇等.固態(tài)電解質(zhì)離子傳輸機(jī)制及其研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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