中國粉體網(wǎng)訊 電解質(zhì)是電池的重要組成部分，在電池的正負(fù)極間起著傳導(dǎo)離子的作用。傳統(tǒng)的有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)具有較大的泄漏、自燃和爆炸風(fēng)險，新型的固態(tài)電解質(zhì)無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，安全性能得到有效提高。但目前的固態(tài)電解質(zhì)也存在機(jī)械強(qiáng)度較弱、電導(dǎo)率低、電化學(xué)性能不穩(wěn)定等缺點。近期的一些研究表明，天然黏土礦物可被應(yīng)用在固態(tài)電解質(zhì)中，用來提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。
清陶能源的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜
在電解質(zhì)體系中，黏土礦物顆粒通過Lewis酸堿作用促進(jìn)鋰鹽的解離，作為交聯(lián)位點降低聚合物的結(jié)晶度，進(jìn)而增強(qiáng)聚合物分子鏈段的運動，并且形成有序或無序的無機(jī)材料-聚合物界面結(jié)構(gòu)，從而有效提高離子遷移速率，提高離子電導(dǎo)率。
無機(jī)礦物填料可以吸附復(fù)合電解質(zhì)中痕量的水及其它雜質(zhì)，提高電化學(xué)穩(wěn)定性，獲得更寬的電化學(xué)窗口。除此之外，黏土礦物作為無機(jī)支撐填料，大大提升了復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，展現(xiàn)出黏土礦物應(yīng)用于固態(tài)電解質(zhì)的巨大潛力。
蒙脫石、蛭石
蒙脫石、蛭石屬于2:1型膨脹性層狀硅酸鹽黏土礦物，得益于該類黏土礦物層間可交換的陽離子、較大的層間域以及層間水或有機(jī)分子對層骨架勢壘的屏蔽作用，Li+、Na+、Mg2+、Zn2+等多種陽離子均可在層間遷移并具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力，部分黏土礦物的離子室溫電導(dǎo)率甚至可達(dá)10–3S/cm，顯示出快離子導(dǎo)體特性。
因此，早在上世紀(jì)八九十年代蒙脫石等層狀黏土礦物的快離子導(dǎo)體特性就吸引了國內(nèi)外部分研究者的注意，初步開展了基于黏土礦物的固態(tài)電解質(zhì)的研究。近些年，研究人員受珠貝母層狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，將蒙脫石剝離后與DMSO混合、抽濾，組裝出了具有層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合固態(tài)膜。
蒙脫石是最為常見的無機(jī)礦物填料，也是復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)制備中最常用的黏土礦物。常通過對蒙脫石進(jìn)行鋰鹽無機(jī)改性處理、有機(jī)改性處理，或通過降低電解質(zhì)體系的各向異性，使復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出更高的離子電導(dǎo)率。
埃洛石、高嶺石
埃洛石、高嶺石等為1:1型非膨脹性層狀硅酸鹽黏土礦物。由于層間域有限且層間無可交換離子，鋰離子很難在層間移動。但是，基于其表面特性及良好的機(jī)械性能，該類黏土礦物可用作聚合物凝膠或固態(tài)電解質(zhì)的無機(jī)填料。
埃洛石納米管(HNT)是一種天然的一維材料，是四面體片和八面體片比例為1：1的層狀硅酸鹽，片層卷曲成中空管狀，層間存在水分子，HNT具有低成本、機(jī)械強(qiáng)度高、良好生物相容性等特點。HNT管的內(nèi)層由鋁氧八面體組成，內(nèi)表面有大量的Al-OH基團(tuán)，外層由硅氧四面體組成。HNT內(nèi)外表面不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其具有不同的電荷特性，HNT的外層帶有負(fù)電荷，內(nèi)層帶有正電荷，其特殊的結(jié)構(gòu)使陰離子可以被容納在帶正電荷的內(nèi)層表面，而鋰離子被吸附于帶負(fù)電荷的外層表面，從而有利于Li+的遷移。
凹凸棒石、海泡石
凹凸棒石、海泡石是非膨脹性纖維狀硅酸鹽黏土礦物(鏈/層狀結(jié)構(gòu))，與聚合物復(fù)合可顯著增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度及離子電導(dǎo)率。研究人員將天然海泡石經(jīng)有機(jī)涂覆后用作填料與PEO、乙烯纖維素(EC)復(fù)合，制成了一種理化性能優(yōu)異的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。由于該膜機(jī)械強(qiáng)度大，可抑制鋰枝晶生長，經(jīng)過多次鋰沉積后仍沒有明顯的鋰枝晶生成，電化學(xué)穩(wěn)定窗口達(dá)4.5 V(70℃)。
小結(jié)
天然黏土礦物具有儲量豐富、成本低、種類豐富等優(yōu)點，利用其制備的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及機(jī)械強(qiáng)度都有顯著提升。利用黏土礦物制備復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)可以一定程度降低電解質(zhì)材料的生產(chǎn)成本，并獲得優(yōu)良的性能，促進(jìn)儲能器件技術(shù)的進(jìn)步。此外，對于擴(kuò)大非金屬礦的應(yīng)用場景，提升其附加值也具有重要意義。
參考來源：
齊鵬越等：黏土礦物在固態(tài)電解質(zhì)中的研究進(jìn)展，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院
胡安等：黏土礦物在電池領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，中國科學(xué)院廣州能源研究所
劉昊等：礦物在電化學(xué)儲能領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)數(shù)理學(xué)院
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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