難道復合固態電解質才是唯一真解？

新能源汽車和5G通信技術的快速發展，對鋰離子電池的安全性、能量密度和循環性能提出了更高的要求。然而，目前商用鋰離子電池電解液中使用的液態碳酸酯化合物存在泄漏、膨脹、腐蝕和易燃等安全隱患。固態電解質可用于減輕這些風險并制造更安全的鋰電池，根據其組成可以分為無機固態電解質、聚合物固態電解質和復合固態電解質。無機固態電解質具有較高的離子電導率、電化學穩定窗口和機械強度，但電極與電解質之間的固/固接觸電阻較大。聚合物固態電解質具有良好的柔韌性、可加工性和接觸界面性能，但室溫離子電導率低，需要在高溫下運行。復合固態電解質是一種很有前途的替代品，其同時具有了無機固態電解質的高離子電導率以及聚合物固態電解質的良好柔韌性。

固態鋰金屬電池中的無機固態電解質、復合固態電解質和聚合物固態電解質的示意結構和性能比較。

復合固態電解質概述

復合固態電解質一般是由無機填料和聚合物固態電解質復合得到的電解質。復合固態電解質結合了無機固體電解質和有機固體電解質的優點，兼具高鋰離子導電率和電化學穩定性，已成為目前研究的熱點之一。

在聚合物固態電解質中加入無機填料后得到的固態電解質具有優異的綜合性能，無機填料可以起到三方面的作用：

①降低結晶度，增大無定形相區，利于Li+遷移；

②填料顆粒附近可以形成快速Li+通道；

③增加聚合物基質的力學性能，使其易于成膜。

根據無機填料是否具有導離子能力，無機填料可以分為惰性填料和活性填料。惰性填料不輸送鋰離子，主要有二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯。活性材料可以參與離子傳導過程，主要有氧化物固態電解質填料以及硫化物固態電解質填料。

室溫下復合電解質中常用的無機填料

聚合物基體在復合固體電解質中可以發揮以下優點：

①聚合物的加入可以顯著提高固體復合電解質的柔韌性；

②聚合物的存在有助于減小電極-電解液界面的電阻；

③聚合物通常比無機陶瓷電解質更容易加工且更具成本效益，這有利于大規模制造。

綜合利用無機材料高離子電導率和良好的機械強度與聚合物材料良好的界面相容性和電化學穩定性形成的復合固態電解質，可以有效地提升鋰離子導電率、抑制電池運行過程中鋰枝晶的生長，提高電池的電化學穩定性和熱穩定性以及庫侖效率。

在復合固態電解質的研究中仍有一系列技術難題亟待解決，對于有機/無機復合電解質，無機填料和聚合物材料的微觀作用機理尚不明確，如何在聚合物基體中均勻分散無機顆粒也有待解決，獲得具有良好整體性能的復合固態電解質是實現固態電池應用的重要先決條件，所以設計高離子電導率、寬電化學窗口、高機械強度且兼顧界面接觸和界面兼容性的復合電解質是目前的研究重點。

復合固態電解質中的鋰離子傳輸機理

目前，關于復合固態電解質中鋰離子傳輸機理主要有三種觀點。

（a）通過無機固態電解質傳輸鋰離子；

（b）通過聚合物固態電解質傳輸鋰離子；

（c）通過有機/無機復合界面傳輸鋰離子。

復合電解質中三種不同鋰離子傳輸路徑的示意圖，（a）通過無機固態電解質傳輸；（b）通過聚合物固態電解質傳輸；（c）通過有機/無機復合界面傳輸。

離子電導率是評價復合固態電解質性能的最重要指標，因此可以通過改善上述三種鋰離子轉移路徑來提高離子電導率。

首先是提高聚合物的離子傳輸能力，這需要降低聚合物的結晶度，提高鏈段的自由運動能力。

其次，通過增加界面數量或增加界面的離子電導率來改善界面傳輸，一種方法是簡單地通過增加界面數量來提高離子電導率，另一種方法是通過優化鋰配位環境來提高界面的離子電導率。

第三種方法是提高無機填料的性能，可以促進復合電解質離子電導率的提高，電化學窗口的拓寬和抑制鋰枝晶的能力。

復合固態電解質中的界面工程

截止目前，雖然已經有大量的研究來增強復合電解質的離子電導率，但界面問題也不容忽視。盡管復合電解質提供了比無機固體電解質更穩定的界面，并且可以有效緩解與鋰不穩定相關的問題，但仍有一些問題需要解決。具體來說，主要問題在于正極的穩定性，以及與負極和鋰枝晶的界面反應。必須解決復合電解質的這些問題，以提高其在實際應用中的性能。

復合固態電解質中界面問題的示意圖

小結

近年來，固態電解質因具有安全性高和防止枝晶生長等功能受到了研究者的廣泛關注和研究。復合型固態電解質可以綜合多種固態電解質的優點，成為提高固態電池的性能的新途徑。通過精確控制復合固態電解質的組分和結構，可實現對其機械性能、離子導電率、界面穩定性等物理化學性能進行有效的調控。盡管固態電解質領域的發展十分迅速，但是其基本原理的探究和實際應用仍面臨諸多挑戰。因此，深入研究復合固態電解質中鋰離子的傳導機理、各組分間的協同作用及界面性質將對進一步提高復合固態電解質的性能提供指導性作用。

參考來源：

浙江工業大學張文魁教授/張俊教授：鋰電池用復合固態電解質設計策略及其界面工程

許卓等.固態電池復合電解質研究綜述

賈婉卿等.鋰離子電池中有機–無機復合固態電解質的研究進展

劉肖燕等.用于鋰金屬電池的復合固態電解質

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