中國粉體網(wǎng)訊 2025年3月18日到19日，由中國粉體網(wǎng)主辦的2025全固態(tài)電池技術(shù)交流大會(huì)暨第一屆干法電極技術(shù)研討會(huì)在安徽蚌埠隆重召開，會(huì)議期間，我們邀請到了業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者，優(yōu)秀企業(yè)家代表做客對話欄目，進(jìn)行訪談交流。本期為您分享的是中國粉體網(wǎng)對中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所副研究員楊燕飛的專訪。
中國粉體網(wǎng)：楊老師，請您簡單介紹一下你們課題組，以及近年來在固態(tài)電池領(lǐng)域的研究成果。
楊老師：我們團(tuán)隊(duì)硅基功能材料組隸屬于中科院蘭州化學(xué)物理研究所資源能源中心，由張俊平研究員領(lǐng)銜，主要聚焦硅酸鹽黏土與有機(jī)硅潤濕性涂層的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，涵蓋仿生超疏液涂層、鋰電池隔膜/固態(tài)電解質(zhì)、太陽能界面蒸發(fā)材料等方向。
在固態(tài)電池研究方面，我們結(jié)合黏土礦物特色資源，圍繞國家能源重大需求，開展了一系列創(chuàng)新研究。前期，我們開發(fā)了一系列黏土礦物功能化鋰電池隔膜，揭示了納米結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)特性及其對鋰電池性能的調(diào)控機(jī)制（Angew Chem Int Ed、Adv Energy Mater等）。在此基礎(chǔ)上，我們系統(tǒng)研究了五種不同微觀結(jié)構(gòu)的黏土礦物對聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)性能的影響，發(fā)現(xiàn)納米片狀蒙脫石因其邊緣正電荷可促進(jìn)鋰鹽解離，形成快速鋰離子傳輸通道。通過丁二腈-鋰鹽插層改性蒙脫石，我們成功制備了高效鋰離子導(dǎo)體材料，大幅提升PEO基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的綜合性能，并闡明了其鋰離子捕獲及界面穩(wěn)定化機(jī)理（Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.等）。
為突破傳統(tǒng)納米填料難以形成連續(xù)鋰離子傳輸通道的瓶頸，我們受神經(jīng)元結(jié)構(gòu)啟發(fā)，創(chuàng)新性地在蒙脫石表面原位生長有機(jī)硅納米線，構(gòu)建SNFs@蒙脫石超疏水復(fù)合材料。該材料顯著提高了PEO基固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率、遷移數(shù)及氧化穩(wěn)定性。研究表明，蒙脫石作為鋰離子富集樞紐，而SNFs-PEO界面形成的長程連續(xù)通道提供了高效傳輸路徑。進(jìn)一步在SNFs表面引入電負(fù)性官能團(tuán)，增強(qiáng)了氫鍵網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，為高性能固態(tài)電解質(zhì)提供了新思路。
中國粉體網(wǎng)：楊老師，請您介紹一下什么是硅酸鹽黏土復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)？它具有哪些優(yōu)勢？
楊老師：硅酸鹽黏土復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)是以硅酸鹽黏土為主體，通過聚合物基體及功能化納米材料復(fù)合構(gòu)建的新型電解質(zhì)體系，在固態(tài)電池領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢：（i）高離子導(dǎo)電性：獨(dú)特的納米片狀結(jié)構(gòu)可構(gòu)建豐富的Li⁺傳輸通道，顯著提升電解質(zhì)離子電導(dǎo)率;（ii）優(yōu)異力學(xué)性能：通過合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)剛?cè)岵?jì)，有效適應(yīng)電池充放電過程中的體積變化，提升循環(huán)穩(wěn)定性;（iii）界面穩(wěn)定性：良好的聚合物-無機(jī)材料相容性，有助于形成穩(wěn)定的界面相，提高電化學(xué)穩(wěn)定性。
與傳統(tǒng)無機(jī)填料相比，硅酸鹽黏土納米材料具有以下獨(dú)特優(yōu)勢：（i）表面豐富的氧活性位點(diǎn)可通過路易斯酸堿相互作用促進(jìn)鋰鹽解離，增加自由Li⁺濃度；（ii）天然納米結(jié)構(gòu)可同時(shí)增強(qiáng)材料的機(jī)械性能；（iii）具有來源廣泛、成本低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展理念。這些特性使硅酸鹽黏土成為制備高性能復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的理想選擇，為下一代固態(tài)電池的發(fā)展提供了新的材料體系。
中國粉體網(wǎng)：楊老師，您團(tuán)隊(duì)通過有機(jī)硅納米線@蒙脫石超疏水納米填料與聚合物電解質(zhì)復(fù)合形成硅酸鹽黏土復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，它的構(gòu)筑機(jī)理是什么？
楊老師：在固態(tài)電解質(zhì)中，構(gòu)建長程連續(xù)Li⁺傳輸通道是實(shí)現(xiàn)高效離子輸運(yùn)的核心挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)無機(jī)填料，如蒙脫石，難以形成穩(wěn)定的傳輸網(wǎng)絡(luò)。我們受神經(jīng)元結(jié)構(gòu)及信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制的啟發(fā)，創(chuàng)新性地構(gòu)筑超疏水SNFs@蒙脫石納米填料，形成高效的離子傳輸體系。
仿生神經(jīng)元結(jié)構(gòu)：通過甲基三氯硅烷在蒙脫石表面可控水解縮合，成功制備有機(jī)硅納米線@蒙脫石，其分支結(jié)構(gòu)在PEO基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中構(gòu)建三維連續(xù)離子通道，實(shí)現(xiàn)多向高效Li⁺傳輸。
化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制：豐富的表面活性位點(diǎn)增強(qiáng)鋰鹽與聚合物的Lewis酸-堿相互作用，促進(jìn)鋰鹽解離，提高自由Li⁺濃度；SNFs-PEO界面構(gòu)筑長程連續(xù)通道，確保穩(wěn)定的鋰離子輸運(yùn)；SNFs表面接枝電負(fù)性官能團(tuán)，構(gòu)建穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，提升界面穩(wěn)定性與長循環(huán)耐受性。
力學(xué)強(qiáng)化作用：SNFs的復(fù)雜分支結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了電解質(zhì)的補(bǔ)強(qiáng)效果，顯著提升機(jī)械穩(wěn)定性與循環(huán)壽命。
這種仿生設(shè)計(jì)策略突破了傳統(tǒng)填料難以形成穩(wěn)定連續(xù)Li⁺通道的瓶頸，為寬溫域適用的高性能固態(tài)鋰金屬電池提供了全新材料體系。
中國粉體網(wǎng)：楊老師，這種硅酸鹽黏土復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用前景如何？
楊老師：硅酸鹽黏土憑借其層狀結(jié)構(gòu)與豐富資源，在固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。其天然納米通道可顯著提升鋰離子傳輸效率，同時(shí)，其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性與機(jī)械強(qiáng)度可滿足高安全性固態(tài)電池的需求。在下一代高能量密度電池、柔性電子器件、高溫儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域，硅酸鹽黏土復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)具備獨(dú)特的優(yōu)勢。
然而，推動(dòng)該材料的商業(yè)化應(yīng)用仍需進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝、結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究及界面修飾技術(shù)，以充分挖掘其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的潛力。隨著技術(shù)突破，該材料有望成為新能源領(lǐng)域高值化應(yīng)用的重要方向，為固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化提供關(guān)鍵支撐。
中國粉體網(wǎng)：楊老師，你如何看待目前固態(tài)電池的發(fā)展形勢？商業(yè)化還需要多久？
楊老師：固態(tài)電池正處于從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵階段。近年來，在材料開發(fā)、界面優(yōu)化、規(guī)�；苽涞确矫娴耐黄�，為其商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。目前，高離子電導(dǎo)率固態(tài)電解質(zhì)、界面工程優(yōu)化、低成本制造工藝的進(jìn)展正加速固態(tài)電池的成熟。
預(yù)計(jì)在未來5-10年內(nèi)，固態(tài)電池將逐步進(jìn)入商業(yè)化階段，首先應(yīng)用于高端消費(fèi)電子與特種領(lǐng)域，隨后擴(kuò)展至電動(dòng)汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能市場。盡管商業(yè)化仍面臨成本、工藝、供應(yīng)鏈等挑戰(zhàn)，但其在安全性、能量密度、循環(huán)壽命方面的優(yōu)勢，使其成為下一代電池技術(shù)的重點(diǎn)方向。隨著技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)鏈完善，固態(tài)電池的商業(yè)化進(jìn)程將持續(xù)加速。
