中國粉體網(wǎng)訊  單一的無機固態(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)電池的實際應用需求。將聚合物基體和無機填料復合后得到的復合固態(tài)電解質(zhì)能夠對兩種體系“取長補短”，表現(xiàn)出較好的綜合性能。通過聚合物和無機填料的協(xié)同作用，有機-無機復合固態(tài)電解質(zhì)將無機固態(tài)電解質(zhì)的高強度、高穩(wěn)定性、高離子電導率的優(yōu)點與聚合物固態(tài)電解質(zhì)的質(zhì)軟、易加工的優(yōu)勢進行了結合，使得其在離子電導率、電化學穩(wěn)定性和機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填料種類較多，主要可以分為惰性填料——非鋰離子導體（SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂等）和活性填料——鋰離子導體（LLZO、LLTO、LATP、LGPS等）兩大類。惰性填料其機理是通過抑制聚合物的結晶，降低結晶度，使得聚合物鏈段運動更活躍，從而提高離子電導率，活性填料則為可進行離子傳導的無機物。相比于惰性填料，活性填料提升電解質(zhì)性能的優(yōu)勢更顯著，受到更多的討論與關注。

室溫下復合電解質(zhì)中常用的無機填料

一般認為，在填料/聚合物復合固態(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構，并促進了聚合物鏈段的弛豫和節(jié)段運動，最終表現(xiàn)為聚合物基體的熔點（T_m）、玻璃化轉變溫度（T_g）以及結晶度的下降；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效應，促進了鋰鹽的進一步解離，提高了聚合物中自由Li⁺濃度，而且該路易斯酸堿對效應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，活性填料有更復雜且特殊的導電行為，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，相比惰性填料對復合固態(tài)電解質(zhì)離子電導率的提升效果更明顯。

常見復合固態(tài)電解質(zhì)的組成及特點

無機填料的性能是影響復合固態(tài)電解質(zhì)離子電導率的關鍵因素。無機填料與聚合物基體之間的相互作用和結合方式是近年來研究的熱點。目前，復合固態(tài)電解質(zhì)主要有三種設計思路：①向聚合物基體中添加惰性或活性填料；②構建有機/無機雙層或多層結構；③向三維無機骨架中填充有機相組分。

針對復合固態(tài)電解質(zhì)的研究，業(yè)界已經(jīng)有了不少進展。但該類電解質(zhì)仍然面臨許多挑戰(zhàn)，包括離子電導率、電化學窗口、固固界面問題、兩相相容性等方面存在的關鍵問題還需要作進一步的探索。比如，當聚合物電解質(zhì)與活性填料復合時，電解質(zhì)性能的提升顯著。但聚合物電解質(zhì)與無機電解質(zhì)離子電導率存在量級上的差別，離子傳輸機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，以何種方式復合才能形成最優(yōu)的離子傳輸路徑，達到理想的離子電導率，這些問題仍需要進一步研究。再比如，對于有機–無機復合固態(tài)電解質(zhì)，固固界面接觸不良、鋰枝晶、界面反應等問題是目前研究的熱點。復合固態(tài)電解質(zhì)中包含有機和無機兩相，使得兩相間、兩相與電極間的界面情況變得更為復雜，要減小界面電阻、實現(xiàn)理想的界面接觸仍然是一大挑戰(zhàn)。特別是對于界面空間電荷層效應的研究更是缺乏。

針對固態(tài)電池相關的技術、材料、市場及產(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)電池關鍵材料技術大會。為致力于固態(tài)電池技術開發(fā)的企業(yè)，科研院校，以及電動車、儲能、特種應用等終端企業(yè)提供信息交流的平臺，開展產(chǎn)、學、研合作，共同推動行業(yè)發(fā)展。屆時，福州大學材料科學與工程學院院長張久俊教授將作題為《復合固態(tài)電解質(zhì)的關鍵材料與先進結構》的報告。報告將從基本原理、關鍵材料、先進結構以及原位測試方法、人工智能/機器學習技術等方面對復合固態(tài)電解質(zhì)進行深入分析，總結并提出固態(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、國際電化學會會士、英國皇家化學會會士、國際電化學能源科學院主席，英屬哥倫比亞大學、滑鐵盧大學、北京大學、天津大學、中國科學院等18所大學和學術機構榮譽/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）前首席科學家�，F(xiàn)任福州大學材料科學與工程學院院長、上海大學可持續(xù)能源研究院院長、中國內(nèi)燃機學會常務理事、燃料電池發(fā)動機分會主任委員及中國有色金屬學會新能源材料發(fā)展委員會副主任委員。2014-2022年連續(xù)9年被評為全球科技工程界論文最高引用（Top1%）科學家，被湯森-路透社評為“全球3000名最具影響力的科學家之一”。2018年被第四屆國際電化學能源和技術大會授予終身成就獎，2021年獲上海市白玉蘭紀念獎，2022年獲中國內(nèi)燃機學會自然科學一等獎（排名第一）。

參考來源：

習磊等.應用于全固態(tài)鋰電池的復合固態(tài)電解質(zhì)研究進展

賈婉卿等.鋰離子電池中有機-無機復合固態(tài)電解質(zhì)的研究進展

刁慶宇等.固態(tài)電解質(zhì)離子傳輸機制及其研究進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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