Nature Mater：固体陶瓷颗粒调节聚合物电解质导电性

纳米技术

2022-09-24

目前人们通过研究发现，固态电池能够有效的避免易燃性，而且能够使用Li金属作为阳极，因此人们普遍认为固态电池是实现安全性更高、能量密度更大的电池技术。通过聚合物-陶瓷复合物作为电解质可能为固态电池提供机会，这是因为聚合物-陶瓷复合固体电解质能够将聚合物电解质的机械力学优点和陶瓷电解质的热稳定性和高导电性优势结合。

有鉴于此，阿尔卑斯-格勒诺布尔大学Renaud Bouchet等报道研究各种不同的液体电解质作为聚合物电解质的模型，评价添加各种不同的多孔致密陶瓷电解质对导电性的影响。研究结果与等效介质理论（effective medium theory）很好的吻合，因此能够预测复合电解质的导电性。作者认为这种高导电性的多孔粒子在体系中起到绝缘作用，致密粒子作为导电作用，通过这项研究得以更加深入的理解复合电解质导电机理。

本文要点：

（1）

当液体/聚合物介质种的陶瓷颗粒浓度低于渗流阈值，通过基于有效介质理论的模型能够很好的对各种实验现象进行解释。向粘弹性的电解液中引入多孔颗粒，不论电解液和盐的浓度为多少，都能够系统性的降低导电性。这种现象是一种微结构效应，导电性降低的唯一原因是其多孔结构。陶瓷晶粒-晶粒之间的接触点是电流的堵塞点（接触点的导电性比体相导电性低两个数量级），因此导致固体的整体结构表现为绝缘。只有当电解液被陶瓷材料分解，才能发现导电性提高的现象，比如PEG-240和LLZO混合的情况。不同之处是，只要是陶瓷材料的导电性高于液体电解质，加入致密颗粒就可以提高复合材料的导电性。这项研究结果为优化电解液复合物提供方法和道路。

（2）

在陶瓷固体颗粒处于低浓度，观测发现一些表面现象（比如双电层的电荷累积作用对导电起到重要影响），当陶瓷固体颗粒的浓度非常高，表面导电性不会明显改善导电性。聚合物可能通过陶瓷颗粒之间相互作用产生局部效应，并且影响陶瓷颗粒附近的表面导电性。此外，作者在陶瓷颗粒/液体电解液的界面上并没有发现影响离子的电荷转移电阻，说明这种效应对该体系的影响作用非常弱。

参考文献

Isaac, J.A., Devaux, D. & Bouchet, R. Dense inorganic electrolyte particles as a lever to promote composite electrolyte conductivity. Nat. Mater. (2022)

DOI: 10.1038/s41563-022-01343-w

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01343-w