无溶剂挤出法制备固态聚合物电解质：自动化材料添加与连续混合工艺研究

这篇综述聚焦于全固态电池（ASSB）核心组件——聚环氧乙烷（PEO）基固态电解质（SE）的工业化生产挑战。通过溶剂-free热熔挤出技术，结合双螺杆挤出机与自动化供料系统，系统研究了螺杆设计（输送、捏合、混合元件）及工艺参数对PEO:LiTFSI（20:1 EO:Li）电解质性能的影响。研究证实，含捏合元件的螺杆设计可实现最佳混合效果，获得43°C低熔点（Tm）及80°C下(8.4±0.2)×10?4 S cm?1的离子电导率，为ASSB规模化生产提供关键技术支撑。

　　

ABSTRACT

新一代全固态电池（ASSB）技术有望解决锂离子电池（LiB）的安全隐患与性能瓶颈。本研究采用无溶剂热熔挤出工艺，通过双螺杆挤出机在惰性条件下连续生产PEO:LiTFSI（20:1 EO:Li）固态电解质，重点探究了螺杆设计与工艺参数对产品质量的影响。结果表明，含捏合元件的螺杆设计能实现最优的锂盐分散效果，动态机械分析（DMA）显示最低熔点43°C，电化学阻抗谱（EIS）测得80°C下离子电导率达(8.4±0.2)×10^?4 S cm^?1。

实验方法

材料制备：使用分子量10万g/mol的PEO（POLYOX WSR N10）与LiTFSI，经12小时真空干燥后，在氩气手套箱（H₂O/O₂ <1 ppm）中进行挤出。挤出工艺：采用同向啮合双螺杆挤出机（ZE24），设置三组螺杆设计——A（纯输送元件）、B（捏合元件）、C（混合元件），温度恒定90°C，转速5-15 rpm。表征技术：数码显微镜观察混合均匀性，流变学测定分子量损失，DMA分析热机械性能，EIS评估离子电导率。

结果与讨论

工艺参数优化：螺杆设计B（捏合元件）在15 rpm时表现出最稳定的扭矩（误差<0.55 Nm）与模头压力（11.6 bar），其延长停留时间显著提升LiTFSI分散性。显微镜显示，仅含输送元件的设计A在5 rpm时呈现明显黄色区域，表明混合不充分。分子量变化：所有设计在15 rpm下均导致PEO分子量损失约30%，但捏合元件对机械性能影响最小，剪切模量降幅仅10%。电化学性能：设计B的电解质在80°C下离子电导率最高（8.4×10^?4 S cm^?1），而混合元件设计C因锂盐分布不均导致数值波动达1.3×10^?4 S cm^?1±70%。

结论

研究证实，捏合元件螺杆设计是实现PEO基电解质连续化生产的理想选择，其平衡了混合效率与材料降解的矛盾。尽管高分子量PEO在挤出中不可避免发生链断裂，但优化后的工艺仍能保持电解质的关键性能，为ASSB从实验室走向工业化提供了可扩展的解决方案。未来需通过增加捏合元件数量或反向螺杆设计进一步提升锂盐溶解效率。