中國粉體網訊 電解質是電池的重要組成部分，在電池的正負極間起著傳導離子的作用。傳統的有機液態電解質具有較大的泄漏、自燃和爆炸風險，新型的固態電解質無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題，安全性能得到有效提高。但目前的固態電解質也存在機械強度較弱、電導率低、電化學性能不穩定等缺點。近期的一些研究表明，天然黏土礦物可被應用在固態電解質中，用來提高電解質的電導率、電化學穩定性、機械性能和熱穩定性。
清陶能源的復合固態電解質膜
在電解質體系中，黏土礦物顆粒通過Lewis酸堿作用促進鋰鹽的解離，作為交聯位點降低聚合物的結晶度，進而增強聚合物分子鏈段的運動，并且形成有序或無序的無機材料-聚合物界面結構，從而有效提高離子遷移速率，提高離子電導率。
無機礦物填料可以吸附復合電解質中痕量的水及其它雜質，提高電化學穩定性，獲得更寬的電化學窗口。除此之外，黏土礦物作為無機支撐填料，大大提升了復合固態電解質的熱穩定性和機械強度，展現出黏土礦物應用于固態電解質的巨大潛力。
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的擴散能力，部分黏土礦物的離子室溫電導率甚至可達10–3S/cm，顯示出快離子導體特性。
因此，早在上世紀八九十年代蒙脫石等層狀黏土礦物的快離子導體特性就吸引了國內外部分研究者的注意，初步開展了基于黏土礦物的固態電解質的研究。近些年，研究人員受珠貝母層狀結構啟發，將蒙脫石剝離后與DMSO混合、抽濾，組裝出了具有層狀結構的復合固態膜。
蒙脫石是最為常見的無機礦物填料，也是復合固態電解質制備中最常用的黏土礦物。常通過對蒙脫石進行鋰鹽無機改性處理、有機改性處理，或通過降低電解質體系的各向異性，使復合固態電解質表現出更高的離子電導率。
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械性能，該類黏土礦物可用作聚合物凝膠或固態電解質的無機填料。
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、機械強度高、良好生物相容性等特點。HNT管的內層由鋁氧八面體組成，內表面有大量的Al-OH基團，外層由硅氧四面體組成。HNT內外表面不同的化學結構使其具有不同的電荷特性，HNT的外層帶有負電荷，內層帶有正電荷，其特殊的結構使陰離子可以被容納在帶正電荷的內層表面，而鋰離子被吸附于帶負電荷的外層表面，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/層狀結構)，與聚合物復合可顯著增強其機械強度及離子電導率。研究人員將天然海泡石經有機涂覆后用作填料與PEO、乙烯纖維素(EC)復合，制成了一種理化性能優異的復合固態電解質。由于該膜機械強度大，可抑制鋰枝晶生長，經過多次鋰沉積后仍沒有明顯的鋰枝晶生成，電化學穩定窗口達4.5 V(70℃)。
小結
天然黏土礦物具有儲量豐富、成本低、種類豐富等優點，利用其制備的復合固態電解質的電導率、電化學穩定性、熱穩定性以及機械強度都有顯著提升。利用黏土礦物制備復合固態電解質可以一定程度降低電解質材料的生產成本，并獲得優良的性能，促進儲能器件技術的進步。此外，對于擴大非金屬礦的應用場景，提升其附加值也具有重要意義。
參考來源：
齊鵬越等：黏土礦物在固態電解質中的研究進展，北京大學地球與空間科學學院
胡安等：黏土礦物在電池領域的應用研究進展，中國科學院廣州能源研究所
劉昊等：礦物在電化學儲能領域的應用研究進展，中國地質大學(北京)數理學院
（中國粉體網編輯整理/平安）
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