中国粉体网讯 单一的无机固态电解质或聚合物固态电解质体系难以满足全固态电池的实际应用需求。将聚合物基体和无机填料复合后得到的复合固态电解质能够对两种体系“取长补短”，表现出较好的综合性能。通过聚合物和无机填料的协同作用，有机-无机复合固态电解质将无机固态电解质的高强度、高稳定性、高离子电导率的优点与聚合物固态电解质的质软、易加工的优势进行了结合，使得其在离子电导率、电化学稳定性和机械性能等方面都有较大的提升。
聚合物基体的选择大同小异，多为PEO；而加入聚合物中的无机填料种类较多，主要可以分为惰性填料——非锂离子导体（SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2等）和活性填料——锂离子导体（LLZO、LLTO、LATP、LGPS等）两大类。惰性填料其机理是通过抑制聚合物的结晶，降低结晶度，使得聚合物链段运动更活跃，从而提高离子电导率，活性填料则为可进行离子传导的无机物。相比于惰性填料，活性填料提升电解质性能的优势更显著，受到更多的讨论与关注。
室温下复合电解质中常用的无机填料
一般认为，在填料/聚合物复合固态电解质中，Li+至少有两种传输路径：①含有锂盐的聚合物基体；②填料与聚合物基体的两相界面。一方面，填料的加入破坏了聚合物基体的链段排列结构，并促进了聚合物链段的弛豫和节段运动，最终表现为聚合物基体的熔点（Tm）、玻璃化转变温度（Tg）以及结晶度的下降；另一方面，填料的酸性表面与聚合物基体中的锂盐存在路易斯酸碱对效应，促进了锂盐的进一步解离，提高了聚合物中自由Li+浓度，而且该路易斯酸碱对效应在填料和聚合物的连续两相界面表现更为明显。除此之外，活性填料有更复杂且特殊的导电行为，首先由于其本身就是Li+的传输路径；其次活性填料与聚合物形成的两相界面存在由Li+迁移至晶体表面的缺陷反应形成的空间电荷区，连续的空间电荷区也是Li+的传输路径。因此，使用活性填料由于可以获得更多的Li+传输路径，相比惰性填料对复合固态电解质离子电导率的提升效果更明显。
常见复合固态电解质的组成及特点
无机填料的性能是影响复合固态电解质离子电导率的关键因素。无机填料与聚合物基体之间的相互作用和结合方式是近年来研究的热点。目前，复合固态电解质主要有三种设计思路：①向聚合物基体中添加惰性或活性填料；②构建有机/无机双层或多层结构；③向三维无机骨架中填充有机相组分。
针对复合固态电解质的研究，业界已经有了不少进展。但该类电解质仍然面临许多挑战，包括离子电导率、电化学窗口、固固界面问题、两相相容性等方面存在的关键问题还需要作进一步的探索。比如，当聚合物电解质与活性填料复合时，电解质性能的提升显著。但聚合物电解质与无机电解质离子电导率存在量级上的差别，离子传输机理的研究仍然不够深入。两相在离子传输中扮演的具体角色，以何种方式复合才能形成最优的离子传输路径，达到理想的离子电导率，这些问题仍需要进一步研究。再比如，对于有机–无机复合固态电解质，固固界面接触不良、锂枝晶、界面反应等问题是目前研究的热点。复合固态电解质中包含有机和无机两相，使得两相间、两相与电极间的界面情况变得更为复杂，要减小界面电阻、实现理想的界面接触仍然是一大挑战。特别是对于界面空间电荷层效应的研究更是缺乏。
针对固态电池相关的技术、材料、市场及产业等方面的问题，中国粉体网将在常州举办第四届高比能固态电池关键材料技术大会。为致力于固态电池技术开发的企业，科研院校，以及电动车、储能、特种应用等终端企业提供信息交流的平台，开展产、学、研合作，共同推动行业发展。届时，福州大学材料科学与工程学院院长张久俊教授将作题为《复合固态电解质的关键材料与先进结构》的报告。报告将从基本原理、关键材料、先进结构以及原位测试方法、人工智能/机器学习技术等方面对复合固态电解质进行深入分析，总结并提出固态电池面临的主要挑战和未来发展方向。
专家简介：
张久俊，加拿大皇家科学院院士、加拿大国家工程院院士、加拿大工程研究院院士、国际电化学会会士、英国皇家化学会会士、国际电化学能源科学院主席，英属哥伦比亚大学、滑铁卢大学、北京大学、天津大学、中国科学院等18所大学和学术机构荣誉/兼职教授，广西自治区人民政府主席院士顾问，山西省人民政府特聘院士专家，加拿大联邦政府国家研究院（NRC）前首席科学家。现任福州大学材料科学与工程学院院长、上海大学可持续能源研究院院长、中国内燃机学会常务理事、燃料电池发动机分会主任委员及中国有色金属学会新能源材料发展委员会副主任委员。2014-2022年连续9年被评为全球科技工程界论文最高引用（Top1%）科学家，被汤森-路透社评为“全球3000名最具影响力的科学家之一”。2018年被第四届国际电化学能源和技术大会授予终身成就奖，2021年获上海市白玉兰纪念奖，2022年获中国内燃机学会自然科学一等奖（排名第一）。
参考来源：
习磊等.应用于全固态锂电池的复合固态电解质研究进展
贾婉卿等.锂离子电池中有机-无机复合固态电解质的研究进展
刁庆宇等.固态电解质离子传输机制及其研究进展
（中国粉体网编辑整理/文正）
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