目前人們通過研究發現,固態電池能夠有效的避免易燃性,而且能夠使用Li金屬作為陽極,因此人們普遍認為固態電池是實現安全性更高、能量密度更大的電池技術。通過聚合物-陶瓷復合物作為電解質可能為固態電池提供機會,這是因為聚合物-陶瓷復合固體電解質能夠將聚合物電解質的機械力學優點和陶瓷電解質的熱穩定性和高導電性優勢結合。
有鑒于此,阿爾卑斯-格勒諾布爾大學Renaud Bouchet等報道研究各種不同的液體電解質作為聚合物電解質的模型,評價添加各種不同的多孔致密陶瓷電解質對導電性的影響。研究結果與等效介質理論(effective medium theory)很好的吻合,因此能夠預測復合電解質的導電性。作者認為這種高導電性的多孔粒子在體系中起到絕緣作用,致密粒子作為導電作用,通過這項研究得以更加深入的理解復合電解質導電機理。
本文要點:
(1)當液體/聚合物介質種的陶瓷顆粒濃度低于滲流閾值,通過基于有效介質理論的模型能夠很好的對各種實驗現象進行解釋。向粘彈性的電解液中引入多孔顆粒,不論電解液和鹽的濃度為多少,都能夠系統性的降低導電性。這種現象是一種微結構效應,導電性降低的唯一原因是其多孔結構。陶瓷晶粒-晶粒之間的接觸點是電流的堵塞點(接觸點的導電性比體相導電性低兩個數量級),因此導致固體的整體結構表現為絕緣。只有當電解液被陶瓷材料分解,才能發現導電性提高的現象,比如PEG-240和LLZO混合的情況。不同之處是,只要是陶瓷材料的導電性高于液體電解質,加入致密顆粒就可以提高復合材料的導電性。這項研究結果為優化電解液復合物提供方法和道路。
(2)在陶瓷固體顆粒處于低濃度,觀測發現一些表面現象(比如雙電層的電荷累積作用對導電起到重要影響),當陶瓷固體顆粒的濃度非常高,表面導電性不會明顯改善導電性。聚合物可能通過陶瓷顆粒之間相互作用產生局部效應,并且影響陶瓷顆粒附近的表面導電性。此外,作者在陶瓷顆粒/液體電解液的界面上并沒有發現影響離子的電荷轉移電阻,說明這種效應對該體系的影響作用非常弱。
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原文標題:Nature Mater:固體陶瓷顆粒調節聚合物電解質導電性
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