固態鋰離子電池之發展已成為儲能電池於2030年前實現產業化之全球於研發重點。而其中開發用於規模化生產之固態電解質須具薄厚度之必要性，且同時又不影響機械強度、熱穩定性與電化學穩定性更是重中之重。然薄型固態電解質目前主要以高分子聚合物為主，其未來之工業生產將面臨機械強度降低、鋰枝晶滲透、薄膜完整性與安全性降低等不可避免之問題。現今以聚合物於陶瓷(polymer-in-ceramic; PIC)之電解質可有效地避免上述問題，此乃因添加無機陶瓷於高分子聚合物中可有效抑制鋰枝晶生長並提高薄型電解質機械強度。藉由將無機陶瓷粉末作為填料與高分子聚合物作為主體相結合所設計之複合聚合物電解質為實現固態鋰離子電池產業化之有效方法。此複合式陶瓷聚合物固態電解質之發展揭示一條新途徑，即電化學性能之提升、機械強度之提高與操作之安全性。複合式陶瓷聚合物固態電解質高度依賴填料特性，例如填料於鋰離子傳導中之性質、填料形態（奈米顆粒、奈米線、奈米片）、聚合物基體中填料生長有序度及填料濃度。藉由改變填料濃度調控性能已引起全世界廣泛關注。最終分為兩種獨立之領域，分別為陶瓷聚合物(ceramic‒in‒polymer; CIP; 陶瓷填料含量低於 50 wt%)與聚合物陶瓷(polymer‒in‒ceramic; PIC; 陶瓷填料含量超過50 wt%)。近年來，許多評論皆集中於陶瓷聚合物電解質、填料工程及填料-聚合物界面之進展。此項綜述之重點為聚合物陶瓷材料與製造方法之當前發展，如圖一所示。
近日，本院化學系、前瞻綠色材料高值化研究中心與重點科技研究學院的劉如熹特聘教授及其研究團隊成員於國際頂尖期刊Advanced Energy Materials上發表題為「Ceramic Rich Composite Electrolytes: An Overview of Paradigm Shift towards Solid Electrolytes for High‒Performance Lithium-metal Batteries」之文章。此篇綜述文章以開發複合式電解質，利用有機聚合物電解質與無機電解質粉末間之協同作用可為下一代固態鋰金屬電池當前之挑戰提供解決方案。其中更指出將聚合物陶瓷(polymer‒in‒ceramic; PIC)應用於富鋰活性填料較陶瓷聚合物(ceramic‒in‒polymer; CIP)更有前景。此乃因無機固體粉末相保留PIC電解質中之主要鋰離子遷移通道。故本綜述詳細說明最先進之 PIC電解質之研究、離子傳導之基本機制、製備方法及固態鋰金屬電池材料開發之最新進展。此外，亦強調改善電極-電解質界面之修飾策略。進一步展望基於PIC之複合式聚合物電解質之當前挑戰與未來發展之有效策略，為下一代鋰電池陶瓷聚合物電解質提供進展與前景。
本研究成果已於2024年8月22日發表於Advanced Energy Materials: https://doi.org/10.1002/aenm.202402402 (Impact factor: 24.4)
圖一、聚合物陶瓷(polymer‒in‒ceramic; PIC)電解質之示意圖。
圖二、聚合物陶瓷(polymer‒in‒ceramic; PIC)電解質之鋰離子電池關鍵性能。