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1、可拉伸聚合物基復合固體電解質有望推動柔性電池技術的發展
目前，柔性電子產品在醫療健康、電子信息和國防安全等領域的地位和作用日益重要。未來可穿戴電子器件和系統需要柔性電池提供致密、安全且可靠的電能源保障。如何發展兼具高比能量、高比功率和高安全性的柔性電池技術已成為先進儲能技術領域最受關注的熱點問題之一。全固態鋰電池是下一代高安全、高比特性儲能技術的主要發展途徑，而發展兼具可拉伸性和高離子電導率的固體電解質，在形變條件下維持電芯內部離子傳導網絡連通性和正/負極結構穩定性，是實現固態鋰電池柔性化的關鍵所在。研究表明，通過有機-無機復合固體電解質體系的優化設計，有望突破兼具可拉伸性和高離子電導率的固體電解質材料技術，支撐柔性電池技術發展。
固體電解質可以分為三大類：無機固體電解質、聚合物固體電解質、有機-無機復合固體電解質。無機固體電解質，例如磷酸鈦鋁鋰、鋰鑭鋯氧等，均具有優異的化學穩定性、力學強度以及較高的室溫離子電導率。尤其是硫化物固體電解質，已實現高達10-2S/cm的室溫離子電導率，與目前商用液態電解質的離子電導率水平相當。但是，無機固體電解質與電極材料的固-固界面較難形成良好的物理接觸，過大的界面阻抗是一項長期難以克服的技術挑戰。聚合物固體電解質具有輕質、柔性等特點，且易與電極材料形成良好的界面接觸。但是，聚合物固體電解質的電化學窗口相對較窄、力學強度較低和室溫離子電導率相對較低，限制了其應用可行性。采用有機-無機雜化的方式，由無機固體電解質與聚合物固體電解質復合形成的聚合物復合固體電解質，結合了無機固體電解質和聚合物固體電解質的優勢，兼具無機物的高強度、高穩定性和聚合物的輕質、柔性。此外，復合界面處的有機-無機雜化作用可為提升聚合物復合固體電解質的離子電導率提供新途徑。
2、聚合物基復合可拉伸電解質的離子傳導增強機制
（1）有機-無機復合電解質的界面傳導機制
在聚合物基復合固體電解質中，高分子鏈段與無機非金屬填料在異質界面處的相互作用是提高離子電導率的關鍵。首先，具有高比表面積的微納米無機填料表面的懸掛鍵可能通過“錨定效應”阻礙其周圍的聚合物鏈段重排結晶，從而在異質界面附近產生一個分子鏈無規排布的非晶區，為鋰離子傳導提供更多的自由體積。其次，無機填料表面的化學基團會通過Lewis酸堿相互作用等促進分散在聚合物基體中的鋰鹽解離，并固定鋰鹽解離產生的陰離子，從而提升異質界面附近的鋰離子濃度。此外，陶瓷與聚合物之間的相互作用還可影響聚合物分子鏈的局部構象，在聚合物基體中產生易于Li+傳導的亞結構。
大量研究表明，聚合物基復合固體電解質中鋰離子主要沿聚合物鏈段和無機填料異質界面附近的低勢壘通道傳輸。因此，異質界面的幾何結構對CSPEs離子電導率也有顯著影響。有研究者通過將無機填料的形態由納米顆粒轉變為納米線，提高了界面處離子傳輸路徑的連續性，使聚合物基復合固體電解質的離子電導率提升了2個數量級。
與各類不具備鋰離子傳導能力的惰性填料相比，將無機固體電解質作為活性填料引入聚合物
基體中有望進一步提升復合固體電解質的離子電導率和鋰離子遷移數等關鍵性能指標。由于無機固體電解質的離子電導率普遍高于聚合物固體電解質，研究人員也嘗試通過提高復合電解質中無機固體電解質的含量來提高復合固體電解質的整體離子電導率。此外，與惰性填料類似，具有較大長徑比的納米纖維活性填料更利于構建連續的快速鋰離子傳輸路徑，對于復合固體電解質離子電導率的提升效果更顯著。
（2）其它新型傳導機制
有機-無機復合界面是CSPEs中離子傳導的重要途徑。但在拉伸、彎折等形變過程中，該界面處不可避免地會產生滑移、剝離等問題，導致離子傳導性能變差，難以滿足可穿戴柔性電子系統的應用要求。因此，探索形變條件下仍能保持穩定離子傳導的新機制是未來可拉伸聚合物基固體電解質材料發展的重要方向。研究人員利用Cu2+與纖維素一維納米纖維的配位作用，改變纖維素由分子鏈內/間氫鍵作用而形成的晶體結構，擴大分子鏈間距，使得Li+可以嵌入其中并沿分子鏈快速傳輸，室溫下鋰離子電導率高達1.5×10-3S/cm。這種小尺度下無機離子與聚合物分子鏈相互作用形成的快離子輸運通道可能具備更好的形變工況適應性。另外，依靠有機-有機復合雙連續相及晶界傳導等新型傳導機制的固體電解質也相繼被報道。
此外，細胞膜上支撐生命系統進行物質和能量交換的生物離子通道可以選擇性地快速輸運特定離子。對其機理進行研究及模仿，對于構建先進的可拉伸離子傳導系統具有重要意義。瞄準能量存儲與轉化等應用領域，研究人員在模仿生物離子通道的膜工程方面也取得了很多進展。
3、聚合物基固體電解質的力電解耦策略
瞄準可穿戴柔性（電池）器件應用場景的固體電解質不僅需要高離子電導率和優異的機械性能，還需能夠在彎折、拉伸等形變工況條件下維持離子傳導性能穩定。然而，目前聚合物基復合固體電解質往往需要通過犧牲機械強度來提高離子電導率，且離子電導率在變形過程中隨應力應變而改變。針對上述問題，研究人員嘗試在不同尺度下實現固體電解質力學承載與離子傳導特性的解耦（即力電解耦），進而實現二者的協同優化。
（1）交聯分子網絡設計
在聚合物分子鏈中同時引入力學承載及離子傳導功能的鏈段結構，并通過物理/化學交聯構成三維網絡，可在分子尺度下構建“力電解耦”固體電解質。以側鏈接枝型高分子聚合物為代表，利用交聯固化反應，主鏈可形成具有良好力學特性的三維交聯網絡，賦予聚合物固體電解質較大的拉伸強度和較高的機械強度；側鏈則可在聚合物體系中自由擺動，受分子網絡形變影響較小，提供穩定快速的Li+傳導路徑。
（2）超分子網絡設計
與復雜的分子合成策略相比，自組裝具有簡單、可控性好、易于調控等優勢。利用非共價鍵相互作用的分子自組裝策略可靈活構建多種功能一體化的超分子材料。有研究組巧妙地利用超分子自組裝策略，在聚合物基固體電解質中實現了力學承載與離子傳導特性的解耦。利用超分子網絡中的“力電解耦”策略，固態電解質分子設計與材料制備更加靈活。通過不同功能鏈段的分子結構優化與設計，有望進一步提升超分子固態電解質的離子電導率和可拉伸性能。
（3）幾何工程設計
通過幾何工程設計實現功能特性和結構特性的解耦或兼容是發展柔性電子器件和材料的重要途徑。借鑒幾何工程設計的思路，通過巧妙的結構設計和工藝方法，在固體電解質中構建獨立的力學承載與離子傳導區域，根據電芯設計需要實現某一尺度下的力電解耦，也是發展可拉伸固體電解質材料的重要途徑。
此三種設計策略在不同尺度實現了聚合物基固體電解質力學承載與離子傳導特性的解耦.但它們也有各自的優越性和局限性。在可拉伸固體電解質材料的研究工作中，需要結合具體的技術研發目標統籌使用不同的策略，通過多尺度力電解耦機制的協同作用，滿足應用需求。
小結
以上是對可拉伸聚合物基固體電解質技術相關問題的簡要介紹。未來可拉伸聚合物基固體電解質技術還需要在離子傳導機制、力電解耦策略以及優化可拉伸聚合物基固體電解質與高比能電化學儲能體系的兼容性等問題上做更深入的探索。
參考來源：
駱鑫妍等.可拉伸聚合物基復合固體電解質研究進展
彭翔等.聚合物復合固體電解質材料研究進展
張強強.基于復合固體聚合物電解質的固態鈉電池
（中國粉體網編輯整理/文正）
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