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        【會(huì)議報(bào)告】復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的關(guān)鍵材料與先進(jìn)結(jié)構(gòu)


        來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   文正

        [導(dǎo)讀]  中國(guó)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),屆時(shí),福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)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。

        中國(guó)粉體網(wǎng)訊  單一的無(wú)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(wú)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(zhǎng)補(bǔ)短”,表現(xiàn)出較好的綜合性能。通過(guò)聚合物和無(wú)機(jī)填料的協(xié)同作用,有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)將無(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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(wú)機(jī)雙層或多層結(jié)構(gòu);③向三維無(wú)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(wèn)題、兩相相容性等方面存在的關(guān)鍵問(wèn)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(wú)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(wèn)題仍需要進(jìn)一步研究。再比如,對(duì)于有機(jī)–無(wú)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(wèn)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(wú)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(wèn)題,中國(guó)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(zhǎng)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(lái)發(fā)展方向。




        專家簡(jiǎn)介:

        張久俊,加拿大皇家科學(xué)院院士、加拿大國(guó)家工程院院士、加拿大工程研究院院士、國(guó)際電化學(xué)會(huì)會(huì)士、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士、國(guó)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(guó)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(wèn),山西省人民政府特聘院士專家,加拿大聯(lián)邦政府國(guó)家研究院(NRC)前首席科學(xué)家,F(xiàn)任福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)、上海大學(xué)可持續(xù)能源研究院院長(zhǎng)、中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(lái)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(wú)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(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/文正)

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        作者:文正

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