一鍋搞定！創新技術同步打造無機與聚合物電池電解質

在電池技術的發展中，電解質的製作一直是一個兩難的抉擇。固態無機電解質雖然能高效傳導帶電粒子，但其脆性高、難以加工，且與電極的無縫連線也是一大挑戰。另一方面，聚合物電解質雖然易於加工，但其離子傳導效率卻遠不如無機材料。混合兩種材料製成的複合電解質，結果往往也是喜憂參半。

芝加哥大學普利茲克分子工程學院的助理教授Chibueze Amanchukwu指出：「這是一個兩難的選擇。混合電解質究竟是結合了無機材料的高離子傳導性和聚合物的良好機械效能，還是隻是將兩者的缺點集於一身？」為瞭解決這個問題，Amanchukwu實驗室開發了一種新技術，能夠在同一容器中同步製作無機和聚合物電解質。這種「一鍋式」原位方法創造出一種均勻的混合物，結合了無機固體的高導電性和聚合物的靈活性。

Amanchukwu表示：「在製作鋰金屬電池時，原位方法的表現遠優於物理混合法。」這項研究成果已發表在《材料化學》期刊上。雖然研究聚焦於電池電解質，但這項新技術也將對半導體研究、電子產品、工業塗料、密封劑以及其他依賴複合材料的領域產生深遠影響。

論文的第一作者Priyadarshini Mirmira解釋：「假設你需要一種能夠靈活拉伸和彎曲的材料，例如可穿戴電子產品。你可以透過設計聚合物來實現這種機械靈活性。」目前，製作複合材料需要兩條合成路線，即使無機和聚合物材料同時合成，仍需額外時間將兩者混合。這在實驗室中可能只是個小麻煩，但在工業量產中卻是一個經濟障礙。

Mirmira補充：「從工業角度來看，這種方法既困難又昂貴。如果你能在一鍋中同時製作兩種材料，就能大幅減少製作複合材料所需的勞動力。」混合高科技合成材料就像混合燕麥片一樣，容易產生結塊。不均勻的混合物會導致電池效率低下、密封劑結塊，以及電子產品效能下降。

Amanchukwu進一步說明：「我已經製作了粉末、陶瓷和聚合物，接下來就是混合它們。但問題是：什麼才是好的混合？你希望混合均勻嗎？還是不要？粒子會聚集嗎？還是不會？」不僅如此，團隊還發現某些材料在化學上會結合在一起。Amanchukwu興奮地表示：「對於某些無機前驅體和聚合物前驅體的組合，我們觀察到了交聯現象，這意味著無機材料和聚合物之間形成了化學鍵。這是一種全新的材料化學，讓我們非常興奮。」

這篇論文主要聚焦於鋰電池，因為它們在電動車、電網儲存等應用中最為常見。但這項技術也適用於鈉電池，後者作為一種成本更低、資源更豐富的替代品，正在迅速發展。Mirmira指出：「只需改變無機材料中的一種反應物，就能讓這項技術適用於鈉電池。」

將一鍋式工藝擴充套件到工業製造所需的規模，還需要克服一些挑戰。首先，整個過程必須在完全無空氣的環境下進行，通常是在氬氣或其他惰性氣體中處理。這在實驗室中較易控制，但在工廠中則較為困難。其次，容器會變熱。達到工業規模需要精確的溫度控制——容器必須足夠熱以合成聚合物，但不能過熱導致材料降解。

Mirmira解釋：「當你擴大反應規模時，材料量增加，容器也會變得更熱。因此，你必須擔心溫度控制。」一旦這些障礙被克服，這項研究將帶來完美均勻的複合材料，並以經濟和化學高效的方式製作。Mirmira總結道：「能夠完全整合無機和聚合物材料的控制，是我們試圖解決的挑戰，也是我們能夠實現的一件非常酷的事情。」