新能源固態電池的關鍵,不只是導電率,而是電極與電解質這兩個「固體」,能不能握手成功。
液態電池的電解質可以自行潤濕介面;而固態電池中的電極與電解質皆為固體,一旦介面接觸不足,阻抗迅速上升,迴圈壽命與安全性隨之受限。因此,固–固介面是否能夠建立並長期維持有效接觸,成為新能源固態電池能否落地的核心工程問題。
在硫化物或氧化物無機固態電解質體系中,引入高分子形成聚合物複合型固態電解質,正是為了解決這場「固–固握手」的難題。
一、前驅狀態評估 從“能不能牽手”,開始決定握手是否成功
在硫化物或氧化物無機固態電解質與高分子形成的複合體系中,高分子在制程初期多以溶液態、熔融態或低聚物前驅狀態存在,扮演著連接兩個固體的仲介角色。其核心任務包括:
- 分散無機顆粒
- 包覆電極表面
- 填充電極孔隙
此階段材料是否能有效滲入、均勻鋪展並避免相分離,高度取決於高分子的流動行為與內聚結構。
制程前與浸潤或塗布階段(Wet / Semi-wet State),可透過SMS微力學測試儀,搭配不同黏性等級對應的漏斗式孔隙裝置,類比實際灌注條件下所需的壓力與溫度,量化評估以下關鍵參數:
- 高分子溶液/漿料的拉伸張力(Tensile behavior)
- 流動阻抗與假塑性(Flow / Consistency)
- 無機顆粒–聚合物間的黏聚力(Cohesion)
- 對電極或集流體表面的初始黏附行為(Adhesion / Tack)
這些資料,直接決定高分子是否具備把兩個固體“牽到一起”的能力。
二、固化階段性能測試 從牽手到握緊,是否固–固介面站得住
在幹法或低溶劑制程下,當體系由 Green State 進入 乾燥、成膠或固化階段,高分子聚合物逐步由可流動狀態轉為黏彈性固體或交聯網路,開始同時扮演:
- 固態電解質基體
- 黏合劑(Binder)
這一階段的核心工程問題在於:
是否能在不犧牲離子傳輸的前提下,建立穩定且可承載應力的固–固接觸介面。
透過質構儀,可針對固化前後進行系統化類比與量化,包括:
- 幹法黏合條件下的壓縮回彈與結構鎖扣行為
- 固化前後內聚強度的發展變化(Cohesive strength development)
- 聚合物對硫化物/氧化物顆粒與電極表面的介面黏附強度
- 類「機械鎖扣(mechanical interlocking)」結構的穩定性評估
這些指標決定的,不只是是否“黏住”,而是固–固介面能否在實際壓合與使用條件下維持貼合。
三、服役條件與老化階段- 握手之後,能不能不放手
在電池實際運行過程中,複合型固態電解質需長期承受:
- 充放電引起的體積變化
- 熱迴圈
- 固–固介面產生的應力累積
因此,高分子聚合物是否能在常溫或設定溫度條件下,持續維持黏合與結構完整性,是影響固態電池安全性與壽命的關鍵。SMS 微力學測試儀進一步對
Aging & Reliability 進行評估,包括:
- 應力鬆弛(Stress relaxation)與蠕變(Creep)行為
- 固化後固–固結合強度的時間衰減
- 熱老化後介面的剝離、脆化或黏性流失風險
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