中科院深圳碳中和研究所所長成會明：二維固態(tài)電解質(zhì)材料可顯著提升性能
5月15日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會指導(dǎo)，動力電池應(yīng)用分會聯(lián)合電池中國網(wǎng)共同主辦的“電動航空及下一代電池技術(shù)(CIBF2025深圳)交流會”在深圳舉辦。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院碳中和技術(shù)研究所所長、研究員成會明，作題為《固態(tài)電池用二維固態(tài)電解質(zhì)材料》的主旨發(fā)言。
圖為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院碳中和技術(shù)研究所所長、研究員成會明作主旨發(fā)言
固態(tài)電池是未來電池領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。資料顯示，人類對固態(tài)電池和相應(yīng)的固態(tài)電解質(zhì)研究歷史非常長，已達(dá)百年之久。成會明談道，從1921年開始，行業(yè)就已經(jīng)開始研究鹵化物固態(tài)電解質(zhì)，后來又發(fā)現(xiàn)氮化物、聚合物、氧化物、硫化物。
近5-10年來，固態(tài)電池質(zhì)領(lǐng)域的研發(fā)非常快，國家也非常重視。成會明指出，固態(tài)電池最重要的是固態(tài)電解質(zhì)，因為正負(fù)極材料和目前的液態(tài)電池變化并不大。現(xiàn)在行業(yè)研究的固態(tài)電解質(zhì)大概有四類：以無機(jī)為主的氧化物、硫化物、鹵化物，以及以有機(jī)為主的聚合物，這四類材料各有優(yōu)缺點。
“無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)最大的優(yōu)點，是離子傳導(dǎo)率相對比較高，當(dāng)然和液態(tài)比還是差，但相對高;同時熱穩(wěn)定性好，高電壓穩(wěn)定性相對好。但最大的問題是成本較高。”成會明分析，有機(jī)聚合物固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點是成本較低，界面接觸特性等比較好，但它的問題是離子傳導(dǎo)率非常低，相對于無機(jī)物至少低一個數(shù)量級。
固態(tài)電解質(zhì)面臨的挑戰(zhàn)顯而易見，這給電池制造工藝帶來很大難點。“我們就要想辦法解決這個問題，嘗試采用二維固態(tài)離子傳導(dǎo)材料。”成會明談道，這個材料最重要的是有個二維限域效應(yīng)，一些理論研究和實驗預(yù)測，二維限域空間可能會加速離子傳導(dǎo)。
“空間大小不一所產(chǎn)生的效應(yīng)不一樣，比如界面效應(yīng)、分子篩效應(yīng)、溶劑擴(kuò)散效應(yīng)、量子效應(yīng)等，因此二維可能極大促進(jìn)離子傳導(dǎo)”。成會明進(jìn)一步解釋，相關(guān)研究顯示，二維材料離子傳導(dǎo)和溫度關(guān)系，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其它固態(tài)電解質(zhì)，特別是在低溫下的特質(zhì)。
既然這種材料是二維的有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，是不是熱穩(wěn)定性也會有問題?成會明指出，相關(guān)實驗表明，二維材料在溶液中浸泡也不分解，遇到明火也具有很好的阻燃性，而且這個材料高溫下不變形。從原料成本看，它的成本基本和聚合物相當(dāng)，因此具有很好的商業(yè)化前景。
但成會明同時也表示，二維材料也有一些問題，因為二維材料的阻隔，離子跨層傳導(dǎo)就很差。因此“要想規(guī)模應(yīng)用，還得需要大規(guī)模制備和組裝，所以我們就沒有選擇二維無機(jī)納米片，而選擇了有機(jī)分子自組裝。”
盡管二維材料有了一定改進(jìn)，但是有沒有更好的固態(tài)電解質(zhì)，或者有沒有其它新型的離子傳導(dǎo)機(jī)制?成會明指出，一定要善于利用人工智能突破固態(tài)電解質(zhì)的技術(shù)瓶頸，利用人工智能驅(qū)動固態(tài)電解質(zhì)體系的設(shè)計，收集相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、構(gòu)建模型、進(jìn)行訓(xùn)練驗證，從而加速固態(tài)電池研發(fā)。
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