固态电解质的离子导电率由谁决定？看广汽埃安怎么说！
固态电解质作为固态电池中的重要组成部分，其性能的高低直接决定了对应电池的电学性能的优劣。目前，现有结构的固态电解质中的电解质颗粒分布散乱，大都无法形成连续的离子传输通道，导致固态电解质存在离子电导率欠 ...
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固态电解质作为固态电池中的重要组成部分，其性能的高低直接决定了对应电池的电学性能的优劣。 目前，现有结构的固态电解质中的电解质颗粒分布散乱，大都无法形成连续的离子传输通道，导致固态电解质存在离子电导率欠佳的问题。广汽埃安的这项专利（CN117039143A）旨在提供一种复合固态电解质，通过特定的设计与制备方法，提升其离子电导率，进而优化固态电池的循环性能和倍率性能。我们先看看这个固态电解质结构和特性是怎么个事儿！01. 电解质成分 ◎该电解质主要由聚合物纳米纤维膜和填充物构成。其中，聚合物纳米纤维膜具有多孔结构，为电解质提供了丰富的内部通道。填充物则是包含聚多巴胺包覆的无机电解质、聚合物电解质和锂盐，这些成分均匀填充于纳米纤维膜的多孔结构内，形成连续的离子传输通道，从而提高电解质的离子电导率。  这其中也有不少细节，先说纳米纤维膜的特性，其规定了纳米纤维膜的孔隙率应在70%~90%之间，以确保足够的孔隙供填充物渗透和分布，有利于离子在电解质中的传输。  厚度也有规定，明确了聚合物纳米纤维膜的厚度范围为10~30μm，以及复合固态电解质整体的厚度范围为40~60μm。这样的厚度设置有助于保持电解质良好的机械稳定性与电化学性能。 特性总结 ◎纳米纤维膜的孔隙率为：70%~90% ◎纳米纤维膜的厚度为：10~30μm ◎复合固态电解质整体的厚度为：40~60μm材质方面，要求所用材料应含有大π键，如环化聚丙烯腈、聚酰亚胺或聚氨酯。  大π键的存在有助于聚多巴胺包覆的无机电解质沿孔道方向均匀分散，通过π-π堆叠作用增强离子传输通道的连续性，并促进锂离子从聚合物电解质向无机电解质迁移，进一步提升电导率。  ◎填充物由混合的聚多巴胺包覆的无机电解质、聚合物电解质和锂盐构成。其中无机电解质可以是多种类型的氧化物或硫化物电解质，如NASICON型、Garnet型、钙钛矿型、硫银锗矿型、LGPS型等。材质不做限定，可以按照适用领域常规选择进行设置。要求包覆层厚度为2~5μm，无机电解质本身呈球形，直径为80~120μm。这种尺寸设计有助于无机电解质在孔道内均匀分散，优化填充效果，进而提升电解质的离子电导率。02. 制备方法 用聚合物纳米纤维膜，将聚多巴胺包覆的无机电解质、聚合物电解质和锂盐加入溶剂中并混合，得到浆料。将聚合物纳米纤维膜浸没于浆料中，以使浆料进入多孔结构内，然后，对浸渍浆料后的中间体进行干燥。 按照上述工艺进行制备，能够制备得到一种具有较高离子电导率的复合固态电解质，以使对应电池具有较为优异的循环性能以及倍率性能。 将溶质与溶剂的质量比限定在特定范围内，可使得浆料具有适宜的黏度，从而便于浆料进入聚合物纳米纤维膜的多孔结构内，以发挥更好的填充效果，进而提高形成的离子传输通道的连续性。另外，可分别将聚多巴胺包覆的无机电解质和聚合物电解质的质量比以及聚多巴胺包覆的无机电解质和锂盐的质量比限定在特定范围内，这样能够使得各个组分均具有适宜的质量占比，以便通过三者的共同作用使得复合固态电解质具有更为优异的离子电导率。比如，聚合物电解质与锂盐与聚多巴胺包覆的无机电解质按特定质量比（如1:(3~4)）混合的聚合物电解质，以及按质量比（如1:(2~3)）添加的锂盐，共同构成了填充物的主体。这些组分的比例经过优化，旨在协同作用以提高复合固态电解质的离子电导率。03. 实验结果 具体的制备方法广汽的专利是给了两种实施例两种对比例。 ◎第一种实施例具体是：聚合物纳米纤维膜的孔隙率为80％，聚合物纳米纤维膜的厚度为20μm，聚合物纳米纤维膜的材质为环化聚丙烯腈。然后按照1：3：2的质量比混合聚多巴胺包覆的Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(LATP)(NASICON型氧化物电解质)、聚氧化乙烯(聚合物电解质)和双氟磺酰亚胺锂(锂盐)并分散在N,N-二甲基甲酰胺中，得到浆料。其中，聚多巴胺包覆的LATP中的聚多巴胺包覆层的厚度为3nm，LATP的直径为100nm，浆料中的溶质与溶剂的质量比为1.5：10；然后，将聚合物纳米纤维膜浸没于浆料中，采用真空浸渍的方式使浆料浸入聚合物纳米纤维膜的孔道内；然后，对浸渍浆料后的中间体进行干燥。◎第二种实施例其实跟第一种差不多，区别就在于聚合物纳米纤维膜的材质为聚乙烯醇（不含大π键）。◎对比例一与实施例一的区别：是按1：3：2的质量比混合聚多巴胺包覆的Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(LATP)(NASICON型氧化物电解质)、双氟磺酰亚胺锂(锂盐)和聚偏氟乙烯(聚合物电解质)并分散在N,N-二甲基甲酰胺中，得到浆料，其中，聚多巴胺包覆的LaAlO3中的聚多巴胺包覆层的厚度为3nm，LATP的直径为100nm，浆料中的溶质与溶剂的质量比为1.5：10；然后，将浆料倒入电解质的制备模具并进行干燥。◎对比例二与实施例一的区别：使用未包覆聚多巴胺的LATP（无大π键）代替实施例一中的聚多巴胺包覆的LATP。◎测试方法分别是按照实施例一和二以及对比例一的工艺进行复合固态电解质的制备，然后，对制备得到的复合固态电解质分别进行编号，然后，将各个样品组装成对应的固态电池，并测试各个电池的离子电导率、循环性能和倍率性能。04. 结论分析    ◎实施例一与对比例一对比：实施例1中采用聚合物纳米纤维膜作为支撑骨架，通过其多孔通道进行复合固态电解质的制备，相比对比例一直接将原料组分制备成复合固态电解质，前者具有更高的离子电导率，且对应电池的循环性能和倍率性能更优。◎实施例一与实施例二对比：实施例一采用含大π键的环化聚丙烯腈作为聚合物纳米纤维膜材质，相比实施例二中采用不含大π键的聚乙烯醇，前者制备的复合固态电解质具有更高的离子电导率，对应电池的循环性能和倍率性能更优。◎实施例一与对比例二对比：实施例一中无机电解质包覆有聚多巴胺（含大π键），能与含大π键的聚合物纳米纤维膜形成π-π堆叠作用，相比对比例二中使用未包覆聚多巴胺的LATP，前者制备的复合固态电解质具有更高的离子电导率，对应电池的循环性能和倍率性能更优。 05. 写在最后 此项专利提出的复合固态电解质及其制备方法，通过合理选择聚合物纳米纤维膜材质（含大π键）、使用聚多巴胺包覆无机电解质，以及采用聚合物纳米纤维膜作为支撑骨架，有效提高了复合固态电解质的离子电导率，从而提升了固态电池的循环性能和倍率性能。 |
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