一种新技术同时在同一个容器中构建无机和聚合物电池电解质。这种“一锅”原位方法创造了一种受控、均匀的混合物，将无机固体的导电性与聚合物的柔韧性相结合。
来自芝加哥大学普利茨克分子工程学院的新技术同时在同一个容器中构建无机和聚合物电池电解质。这种“一锅”原位方法创造了一种受控、均匀的混合物，将无机固体的导电性与聚合物的柔韧性相结合。
创建电池电解质——即在电池的两个端子之间来回携带带电粒子的组件——一直是一种权衡。
固态无机电解质极为高效地移动粒子，但由于是固体和无机物，它们也很脆，难以操作，并且难以无缝连接到端子上。聚合物电解质则容易使用，但在移动带电离子方面效果较差。
将二者混合以创建混合电解质，结果却是参差不齐。
“这是一个困境。在无机物方面，混合物是否具备更高的离子导电性，以及聚合物的良好机械性能，还是结合了它们最糟糕的特性？”芝加哥大学普利茨克分子工程学院的助理教授Chibueze Amanchukwu说道。
Amanchukwu实验室的新技术同时在同一个容器中构建无机和聚合物电解质。这种“一锅”原位方法创造了一种受控、均匀的混合物，将无机固体的导电性与聚合物的柔韧性相结合。
“当你制造锂金属电池时，原位方法的表现要远远优于物理混合方法，”Amanchukwu说道。
他们的研究发表在《材料化学》杂志上。
尽管该研究集中于电池电解质，但新技术在半导体研究、电子产品、工业涂层、密封剂以及任何依赖混合材料的领域都会产生影响。
“假设你想要某种能够非常好地拉伸并且能够扭转——比如可穿戴电子设备——你可以设计聚合物，使其具备该材料的机械灵活性，”第一作者Priyadarshini Mirmira博士（24届）说道。
结合流
制作混合材料目前涉及两条合成流。无机材料和聚合物材料是分别制造的，即使两者同时合成——然后还有额外的时间需要将这两种材料混合在一起。
这在实验室里是一种恼人的问题，但在工业规模的大规模生产中却是一个经济障碍。
“从工业的角度来看，这真的很困难，而且成本很高，”Mirmira说道。“如果你能采用一锅方法制作两者，你就减少了制造混合材料所需的劳动。”
混合高科技合成材料存在与混合燕麦片相同的问题——结块。结块、块状的混合物意味着电池效率低、密封剂成团、电子产品使用效果差。
“我已经制备了粉末、陶瓷，我已经制备了聚合物，让我混合它们吧，”Amanchukwu说道。“挑战是，什么样的混合物是好的？你想要良好的混合吗？不想要吗？颗粒会聚集吗？不会吗？”
不仅一起在一个容器中制造材料创造了完美的物理混合，而且团队还观察到一些材料在化学上结合在了一起。
“对于某些无机前体和聚合物前体的组合，我们看到交联的证据，这意味着在无机和聚合物之间形成化学键，”Amanchukwu说道。“这实际上是新材料化学，让我们感到兴奋。”
多种应用
论文集中于锂电池，因为它们在电动车、储能和其他应用中是最常见的。但该技术也可用于钠电池，钠电池作为一种更便宜、更丰富的锂电池替代品正在进步。
“这实际上是改变无机物的一种反应物，使其同样适用于钠电池单元的问题，”Mirmira说道。
将一锅过程扩大到工业制造所需的水平将需要“几个不同的调节”来进行调节，Mirmira说道。该过程需要完全无空气，首先在氩气或其他惰性气体中加工。这在实验室中更容易维护，而在工厂车间则不然。
其次，锅会变热。达到工业水平将需要精确调节——容器必须足够热以合成聚合物，但又不能热到超过材料的降解温度。
“当你扩大这个反应时，你会有更多的材料，容器将变得更加热，”Mirmira说道。“所以你必须担心温度控制。”
一旦克服这些障碍，研究将导致以经济和化学高效的方式创造出完美、均匀的混合物。
“能够实现全面整合的无机聚合物材料的这种控制是我们试图解决的挑战，也是我们能够实现的一个相当酷的事情，”Mirmira说道。
