อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง ( SSE ) เป็นตัวนำไอออนของแข็งและวัสดุ ฉนวนอิเล็กตรอน และเป็นส่วนประกอบลักษณะเฉพาะของแบตเตอรี่ของแข็ง มีประโยชน์สำหรับการใช้งานในการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเพื่อทดแทนอิเล็กโทรไลต์เหลวที่พบได้โดยเฉพาะในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน [ ^{1 ] [ 2 ] ข้อดี} หลักของอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง ได้แก่ ความปลอดภัยอย่างสมบูรณ์ ไม่มีปัญหาการรั่วไหลของตัวทำละลายอินทรีย์ที่ เป็นพิษ ติดไฟยาก ไม่ระเหย มีเสถียรภาพทางกลและทางความร้อน แปรรูปง่าย คายประจุเอง ต่ำ ความหนาแน่นของพลังงานที่ทำได้สูงกว่า และความสามารถในการใช้งานซ้ำ^{[ 3 ]} ทำให้สามารถใช้ ขั้วบวกโลหะ ลิเธียม ในอุปกรณ์จริงได้โดยไม่มีข้อจำกัดโดยธรรมชาติของอิเล็ก โทรไลต์เหลวเนื่องจากคุณสมบัติใน การยับยั้งการเกิด เดนไดรต์ ของลิเธียม เมื่อมีเยื่ออิเล็กโทรไลต์ของแข็งอยู่ การใช้แอโนดที่มีความจุสูงและมีศักยภาพการลด ต่ำ เช่นลิเธียมที่มีความจุจำเพาะ 3860 mAh/g และศักยภาพการลดที่ -3.04 V เมื่อเทียบกับอิ เล็กโทรดไฮโดรเจนมาตรฐาน แทนที่ กราไฟต์ที่มีความจุต่ำแบบดั้งเดิม ซึ่งมีความจุตามทฤษฎี 372 mAh/g ในสถานะลิเธียมเต็มที่ของ LiC6 _[ 4 ^{] เป็น}ขั้นตอนแรกในการสร้างแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ที่ เบากว่า บางกว่า และราคาถูกกว่า ^{[ 5 ]}ซึ่งทำให้มีความหนาแน่นของพลังงานต่อหน่วยน้ำหนักและปริมาตรสูงพอที่จะวิ่งได้ 500 ไมล์ต่อการชาร์จครั้งเดียวในรถยนต์ไฟฟ้า^{[ 6 ] แม้จะมีข้อดีที่น่าสนใจเหล่านี้ แต่ก็ยังมีข้อจำกัดหลายประการที่ขัดขวางการเปลี่ยนผ่านของ SSE จากการ วิจัย}ทางวิชาการไปสู่การผลิตขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการนำไฟฟ้าไอออนที่ไม่ดีเมื่อเทียบกับของเหลว

อิเล็กโทรไลต์ของแข็งอนินทรีย์ชนิดแรกถูกค้นพบโดยไมเคิล ฟาราเดย์ในศตวรรษที่ 19 ซึ่งได้แก่ซิลเวอร์ซัลไฟด์ (Ag₂S ₎และตะกั่ว(II) ฟลูออไรด์ (PbF₂ ₎ [ ^{7 ] วัสดุ}พอลิเมอร์ชนิดแรกที่สามารถนำไอออนในสถานะของแข็งได้คือ PEO ซึ่งถูกค้นพบในช่วงทศวรรษ 1970 โดย V. Wright ความสำคัญของการค้นพบนี้ได้รับการยอมรับในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ^{[ 8 ] [ 9 ]}

อย่างไรก็ตาม ยังคงมีประเด็นพื้นฐานที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขเพื่อให้เข้าใจพฤติกรรมของแบตเตอรี่โซลิดสเตทได้อย่างสมบูรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านอินเทอร์เฟซทางเคมีไฟฟ้า^{[ 10 ]}ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความต้องการด้านความปลอดภัยและการปรับปรุงประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับเคมีลิเธียมไอออน ที่ทันสมัย ​​ทำให้แบตเตอรี่โซลิดสเตทเป็น ที่น่าสนใจอย่างมาก และในปัจจุบันถือเป็นเทคโนโลยีที่น่าสนับสนุนในการตอบสนองความต้องการ รถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ระยะไกลในอนาคตอันใกล้

ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2563 สถาบันเทคโนโลยีขั้นสูงของซัมซุง (SAIT)ได้เผยแพร่ผลงานวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่โซลิดสเตททั้งหมด (ASSB) โดยใช้อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตทแบบอาร์ไจโรไดต์ที่มีความหนาแน่นพลังงานที่แสดงให้เห็นที่ 900 WhL ⁻¹และความสามารถในการใช้งานที่เสถียรมากกว่า 1000 รอบ ซึ่งเป็นครั้งแรกที่ได้ค่าใกล้เคียงกับ 1000 WhL ⁻¹ซึ่งทำได้โดยการใช้การอัดไอโซสแตติกแบบอุ่นเพื่อปรับปรุงการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์^{[ 11 ]}

เพื่อให้แบตเตอรี่โซลิดสเตท (SSB) / อิเล็กโทรไลต์โซลิด (SE) กลายเป็นคู่แข่งสำคัญในตลาด จะต้องตรงตามเกณฑ์การวัดประสิทธิภาพที่สำคัญบางประการ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}เกณฑ์หลักที่ SSB/SE ควรมีคือ: ^{[ 10 ] [ 15 ]}

• การนำไฟฟ้าไอออน:ในอดีต SSB ประสบปัญหาการนำไฟฟ้าไอออนต่ำเนื่องจากจลนศาสตร์ของส่วนต่อประสานที่ไม่ดีและการเคลื่อนที่ของไอออนโดยทั่วไป ดังนั้น SE ที่มีการนำไฟฟ้าไอออนสูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งการนำไฟฟ้าไอออน สูง (อย่างน้อยสูงกว่า 10 ⁻⁴ S/cm) สามารถวัดได้ผ่าน การ วิเคราะห์สเปกโทรสโกปีอิมพีแดนซ์ทางไฟฟ้าเคมี (EIS) ^{[ 16 ]}
• ความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตร:นอกจากการนำไฟฟ้าไอออนสูงแล้ว ผู้สมัครจะต้องมีความสามารถในการเรียงซ้อนกันภายในแพ็คเกจเดียว เพื่อให้สามารถจ่ายพลังงานความหนาแน่นสูงให้กับรถยนต์ไฟฟ้าได้ ความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรสูงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ระยะทางการขับขี่ของรถยนต์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นระหว่างการชาร์จแต่ละครั้ง^{[ 17 ]}
• ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า:ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า (W/L) ที่เพียงพอเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้มีพลังงานพร้อมใช้งานเมื่อต้องการ ซึ่งเป็นตัววัดความเร็วในการชาร์จและการคายประจุด้วยเช่นกัน
• อายุการใช้งาน:แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปจำเป็นต้องมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน เนื่องจากแบตเตอรี่ชนิดนี้จะเสื่อมสภาพหลังจากใช้งานไปเพียงไม่กี่ปี
• หมายเลขการถ่ายโอนไอออน: หมายเลขการถ่ายโอนไอออนสูง(ใกล้เคียง 1 มากที่สุด) สามารถวัดได้โดยใช้การวิเคราะห์โครโนแอมเพอโรเมตรี (CA)และEIS ร่วมกัน ^{[ 17 ]}
• เสถียรภาพทางความร้อน เชิงกล และทางเคมีไฟฟ้า:ในระหว่างการทำงานของอุปกรณ์หรือรถยนต์ SSB อาจมีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรอย่างมากและเผชิญกับความเครียดเชิงกล นอกจากนี้ เสถียรภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดในการทำงานสูงถือเป็นข้อได้เปรียบเมื่อพูดถึงความหนาแน่นของพลังงานสูง ดังนั้น จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาเสถียรภาพเชิงกล ความร้อน และทางเคมีไฟฟ้าความแข็งแรงเชิงกล สูง (อย่างน้อยหลายสิบ MPa) สามารถวัดได้ผ่านการทดสอบแรงดึง แบบดั้งเดิม ช่วงเสถียรภาพทางเคมีไฟฟ้า ที่กว้าง(ESW) (อย่างน้อย 4-5 V) สามารถวัดได้ผ่านการวัดศักย์ไฟฟ้าแบบกวาดเชิงเส้น (LSV)หรือการวัดศักย์ไฟฟ้าแบบวงจร (CV ) ^{[ 18 ] [ 19 ]}
• ความเข้ากันได้: SE ต้องเข้ากันได้กับวัสดุอิเล็กโทรดที่ใช้ในแบตเตอรี่ เนื่องจากมีโอกาสสูงที่จะเกิดความต้านทานเพิ่มขึ้นใน SSB อันเนื่องมาจากพื้นที่สัมผัสระหว่างอิเล็กโทรไลต์และวัสดุอิเล็กโทรดมีจำกัด นอกจากนี้ยังควรมีความเสถียรเมื่อสัมผัสกับโลหะลิเธียม ควรมีน้ำหนักเบาเพื่อให้สามารถใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาได้ ความเข้ากันได้สูงกับวัสดุอิเล็กโทรดสามารถวัดได้จากการวิเคราะห์ EIS ที่ทำซ้ำหลายวันติดต่อกัน^{[ 20 ]}
• เทคโนโลยีการผลิตเชิงเศรษฐกิจ:หาก SE ประกอบด้วยวัสดุราคาแพง เช่น เจอร์มาเนียม จะทำให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้นอย่างมาก การผลิต SSB ตัวอย่างหนึ่งจะต้องอาศัยการผสมผสานเทคโนโลยีการผลิตที่ไม่ซับซ้อน เช่น การกระจายอนุภาค การผสมเชิงกล การขึ้นรูปฟิล์ม เป็นต้น

เป็นเรื่องยากที่วัสดุเพียงชนิดเดียวจะสามารถตอบสนองเกณฑ์ทั้งหมดข้างต้นได้ ดังนั้นจึงสามารถใช้วิธีการอื่นๆ ได้หลายวิธี เช่น ระบบอิเล็กโทรไลต์แบบไฮบริด ซึ่งรวมข้อดีของอิเล็กโทรไลต์อนินทรีย์และอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์เข้าด้วยกัน

SSE มีบทบาทเช่นเดียวกับอิเล็กโทรไลต์เหลวแบบดั้งเดิม และถูกจำแนกออกเป็นอิเล็กโทรไลต์ของแข็งทั้งหมดและอิเล็กโทรไลต์กึ่งของแข็ง (QSSE) อิเล็กโทรไลต์ของแข็งทั้งหมดยังแบ่งออกเป็นอิเล็กโทรไลต์ของแข็งอนินทรีย์ (ISE) อิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ของแข็ง (SPE) และอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์คอมโพสิต (CPE) ในทางกลับกัน QSSE หรือที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์เจล (GPE) เป็นเมมเบรนแบบตั้งอิสระที่มีส่วนประกอบของเหลวจำนวนหนึ่งที่ถูกตรึงอยู่ภายในเมทริกซ์ของแข็ง โดยทั่วไปแล้ว คำว่า SPE และ GPE จะใช้แทนกันได้ แต่มี กลไก การนำไอออน ที่แตกต่างกันอย่างมาก : SPE นำไอออนผ่านปฏิกิริยากับกลุ่มทดแทนของโซ่พอลิเมอร์ ในขณะที่ GPE นำไอออนส่วนใหญ่ในตัวทำละลายหรือพลาสติไซเซอร์^{[ 21 ]}

อิเล็กโทรไลต์แบบของแข็งทั้งหมดแบ่งออกเป็นอิเล็กโทรไลต์ของแข็งอนินทรีย์ (ISE), อิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์ของแข็ง (SPE) และอิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์คอมโพสิต (CPE) อิเล็กโทรไลต์เหล่านี้เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง และการเคลื่อนที่ของไอออนเกิดขึ้นในสถานะของแข็ง ข้อได้เปรียบหลักคือการกำจัดส่วนประกอบที่เป็นของเหลวออกไปอย่างสมบูรณ์ ซึ่งส่งผลให้ความปลอดภัยของอุปกรณ์โดยรวมดีขึ้นอย่างมาก ข้อจำกัดหลักคือค่าการนำไฟฟ้าของไอออนที่มีแนวโน้มจะต่ำกว่าเมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลว^{[ 22 ]}

อิเล็กโทรไลต์ของแข็งอนินทรีย์ (ISEs) เป็นอิเล็กโทรไลต์ของแข็งประเภทหนึ่งที่ประกอบด้วยวัสดุอนินทรีย์ในรูปแบบผลึกหรือแก้ว ซึ่งนำไอออนผ่านการแพร่ผ่านโครงตาข่ายของแข็ง^{[ 23 ]}อิเล็กโทรไลต์เหล่านี้มีข้อดีที่สำคัญหลายประการ ได้แก่ การนำไฟฟ้าไอออนิกที่ค่อนข้างสูง (อยู่ในระดับ 10 ⁻³ -10 ⁻⁴ S/cm ที่อุณหภูมิห้อง) และโมดูลัสเชิงกลสูง (ระดับ GPa) รวมถึงจำนวนการถ่ายโอนแคตไอออนสูง^{[ 24 ]}

โดยทั่วไปแล้ว ISE แบบดั้งเดิมจะเป็นวัสดุเฟสเดียว ตัวนำที่ใช้สารประกอบออกไซด์ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางเนื่องจากมีเสถียรภาพทางเคมีที่ดีเยี่ยมและความแข็งแรงทางกล^{[ 25 ]}ตระกูลโครงสร้างผลึกทั่วไป ได้แก่ ตัวนำออกไซด์ เช่นLTP, LATP และ LAGP ชนิดNASICON [ 26 ^{] LLZO ชนิด}การ์เนต [ 27 ] ^{และLLTO}ชนิดเพอร์รอฟสไกต์ [ 28 ] ISE ที่ใช้สารประกอบซัลไฟด์ ได้แก่ Li 10 GeP 2 S 12 ชนิด LGPS และ Li 6 PS 5 X ที่มีลักษณะคล้ายอาร์ไจโรไดต์ [ 29 ] ^{วัสดุเหล่านี้สามารถ}ให้_ค่าการนำ_{ไฟฟ้า}ไอออน_สูงและพฤติกรรม_ทางกล_ที่ค่อนข้างอ่อน^{ซึ่งเป็นประโยชน์}ต่อการสัมผัสระหว่างพื้นผิว^{[ 30 ]} Kamaya และคณะได้รายงาน Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ในปี 2011 ว่าเป็นตัวนำไอออนลิเธียมที่มีค่าการนำไฟฟ้าไอออนลิเธียมที่อุณหภูมิห้องเทียบเท่ากับอิเล็กโทรไลต์เหลว^{[ 31 ]}ตระกูลอนินทรีย์อื่นๆ ได้แก่ ลิเธียมไนไตรด์ลิเธียมไฮไดรด์ลิเธียมฟอสฟิโดไตรเอเลต และฟอสฟิโดเตตเรเลต

อย่างไรก็ตาม แม้จะมีจุดแข็งเหล่านี้ ISE แบบเฟสเดียวก็ยังเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญ เซรามิกออกไซด์ถึงแม้จะมีความแข็งแรงทางกล แต่ก็มีแนวโน้มที่จะเปราะ พัฒนาความต้านทานที่ส่วนต่อประสานสูงที่ส่วนต่อประสานระหว่างอิเล็กโทรด/อิเล็กโทรไลต์ และมักต้องใช้การเผาผนึกหรือแรงดันซ้อนสูงเพื่อให้ได้การสัมผัสที่ดี^{[ 30 ]}ในทางกลับกัน วัสดุซัลไฟด์และเฮไลด์ถึงแม้จะมีค่าการนำไฟฟ้าไอออนสูง แต่ก็อาจประสบปัญหาความไม่เสถียรทางเคมี (เช่น ความไวต่อความชื้นหรือปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์กับโลหะลิเธียม) ช่วงทางเคมีไฟฟ้าที่จำกัด และความอ่อนนุ่มทางกล^{[ 32 ]}

อิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์แข็ง(SPE) ถูกนิยามว่าเป็นสารละลายเกลือที่ปราศจากตัวทำละลายในวัสดุโพลิเมอร์ที่เป็นตัวกลางซึ่งนำไอออนผ่านสายโซ่โพลิเมอร์ เมื่อเปรียบเทียบกับ ISE แล้ว SPE นั้นง่ายต่อการประมวลผลมากกว่า โดยทั่วไปแล้วจะใช้วิธีการหล่อสารละลายทำให้เข้ากันได้ดีกับกระบวนการผลิตขนาดใหญ่ ยิ่งไปกว่านั้น ยังมีความยืดหยุ่นและความเป็นพลาสติกสูงกว่า ทำให้มีความเสถียรที่ส่วนต่อประสาน มีความยืดหยุ่น และทนต่อการเปลี่ยนแปลงปริมาตรได้ดีขึ้นในระหว่างการใช้งาน^{[ 21 ]}การละลายของเกลือลิเธียมที่ดี อุณหภูมิ การเปลี่ยนสถานะแก้ว ต่ำ (T _g ) ความเข้ากันได้ทางเคมีไฟฟ้ากับวัสดุอิเล็กโทรดทั่วไปส่วนใหญ่ ระดับความเป็นผลึกต่ำ ความเสถียรทางกล ความไวต่ออุณหภูมิต่ำ ล้วนเป็นลักษณะเฉพาะของ SPE ที่เหมาะสม^{[ 33 ]}โดยทั่วไปแล้ว แม้ว่าการนำไฟฟ้าของไอออนจะต่ำกว่า ISE และความสามารถในการทำงานที่อัตราสูงจะถูกจำกัด ทำให้การชาร์จเร็วเป็นไปได้ยาก^{[ 34 ]} SPE ที่ใช้ PEO เป็นพอลิเมอร์ของแข็งตัวแรกที่แสดงให้เห็นถึงการนำไฟฟ้าไอออนิกทั้งระหว่างโมเลกุลและภายในโมเลกุลผ่านการกระโดดของไอออนเนื่องจากการเคลื่อนที่แบบแบ่งส่วนของโซ่พอลิเมอร์^{[ 35 ]}เนื่องจากความสามารถในการสร้างสารเชิงซ้อนไอออนิกที่ดีเยี่ยมของกลุ่มอีเทอร์แต่พวกมันมีข้อเสียคือการนำไฟฟ้าไอออนิกที่อุณหภูมิห้องต่ำ (10 ⁻⁵ S/cm) ^{[ 36 ]}เนื่องมาจากระดับความเป็นผลึกสูง

การโคพอลิเมอไรเซชัน^{[ 37 ]} การเชื่อมโยง^{[ 38 ]}การแทรกซึม^{[ 39 ]}และการผสม^{[ 40 ]}อาจใช้เป็นการประสานงานระหว่างพอลิเมอร์/พอลิเมอร์เพื่อปรับแต่งคุณสมบัติของ SPE และบรรลุประสิทธิภาพที่ดีขึ้น การแนะนำกลุ่มขั้ว เช่นอีเทอร์คาร์บอนิลหรือไนไตรล์ ในสายโซ่พอลิเมอร์ ^จะช่วยปรับปรุงการละลายของเกลือลิเธียมได้อย่างมาก ดังนั้นทางเลือกหลักสำหรับ SPE ที่ใช้พอลิอีเทอร์เป็นพื้นฐาน ได้แก่พอลิคาร์บอเนต [ ^{41 ]}พอลิเอสเตอร์^{[ 42 ]} พอลิไนไตร ล์ (เช่น PAN) ^{[ 43 ]}พอลิแอลกอฮอล์ (เช่น PVA) ^{[ 44 ]}พอลิเอมีน (เช่น PEI) ^{[ 45 ]}พอลิไซลอกเซน (เช่น PDMS) ^{[ 46 ] [ 47 ]}และฟลูออโรพอลิเมอร์ (เช่น PVDF, PVDF-HFP) ^{[ 48 ]}ไบโอพอลิเมอร์ เช่น^ลิกนิน [ ^{49 ]}ไคโตซาน^{[ 50 ]}และเซลลูโลส^{[ 51 ]}กำลังได้รับความสนใจอย่างมากในฐานะ SPE แบบเดี่ยวหรือผสมกับพอลิเมอร์อื่นๆ ในด้านหนึ่งเพราะเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และอีกด้านหนึ่งเพราะความสามารถในการสร้างสารเชิงซ้อนกับเกลือได้สูง นอกจากนี้ ยังมีการพิจารณากลยุทธ์ต่างๆ เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าไอออนของ SPE และอัตราส่วนของอสัณฐานต่อผลึก^{[ 52 ]}

อิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์คอมโพสิต (CPEs) นำเสนอโซลูชันที่น่าสนใจเพื่อแก้ไขข้อจำกัดของอิเล็กโทรไลต์ของแข็งอนินทรีย์แบบดั้งเดิม (ISEs) เช่น วัสดุที่ใช้การ์เนต (LLZO) และวัสดุที่ใช้ซัลไฟด์ (LGPS) ซึ่งมักแสดงให้เห็นถึงความเข้ากันได้เชิงกลที่ไม่ดีกับอิเล็กโทรดลิเธียมและความต้านทานที่ส่วนต่อประสานสูง CPEs หรือที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลต์ของแข็งคอมโพสิต (CSEs) ในเอกสารบางฉบับ ผสานรวมอนุภาคอนินทรีย์ขนาดเล็กเข้ากับเมทริกซ์พอลิเมอร์ จึงรวมการนำไฟฟ้าไอออนสูงของเฟสอนินทรีย์เข้ากับความยืดหยุ่นและความเข้ากันได้กับอิเล็กโทรดที่เพิ่มขึ้นของพอลิเมอร์^{[ 53 ]}

สารตัวเติมอนินทรีย์ ที่ผสมอยู่ในเมทริกซ์พอลิเมอร์สามารถแบ่งออกได้เป็นสารเฉื่อยและสารออกฤทธิ์ สารตัวเติมเฉื่อย เช่น Al2O3 _{, TiO2}และ_SiO2ทำ_{หน้าที่}หลักในการลดความเป็นผลึกของเมทริกซ์พอลิเมอร์และปรับปรุงความแข็งแรงเชิงกล จึงช่วยยับยั้งการเติบโตของเดนไดรต์ลิเธียม^{[ 54 ]}ตัวอย่างเช่น การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการผสม SiO2 _ลงในอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ PEO ช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนและความแข็งแรงเชิงกลอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้อายุการใช้งานของเซลล์ลิเธียมสมมาตรยาวนานขึ้น^{[ 55 ]}สารตัวเติมออกฤทธิ์ ซึ่งรวมถึงตัวนำไอออนเร็ว เช่น LLZO, LLTO และ LATP ไม่เพียงแต่เสริมความแข็งแรงให้กับเมทริกซ์พอลิเมอร์เท่านั้น แต่ยังให้เส้นทางเพิ่มเติมสำหรับการนำไอออนลิเธียม จึงเพิ่มการนำไฟฟ้าไอออนโดยรวมของอิเล็กโทรไลต์^{[ 56 ]}ตัวอย่างที่น่าสนใจคือการใช้แผ่นนาโน LATP ที่ปั่นด้วยไฟฟ้าภายในเมทริกซ์ PVDF ซึ่งสร้างช่องทางการขนส่งไอออนอย่างต่อเนื่องและบรรลุค่าการนำไฟฟ้าไอออนสูงถึง 6.15×10 ⁻⁴ S/cm ที่อุณหภูมิห้อง^{[ 57 ]}กลยุทธ์การออกแบบโครงสร้าง เช่น การสร้างเครือข่ายเส้นใยสามมิติโดยใช้วัสดุเช่น PAN/LLZTO ได้ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างช่องทางการขนส่ง Li ⁺ อย่างต่อเนื่อง ภายใน CPE ที่ใช้ PEO ซึ่งช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าไอออนและคุณสมบัติทางกลให้ดียิ่งขึ้น^{[ 58 ]}

ด้วยการลดปัญหาการสัมผัสระหว่างพื้นผิวที่แข็งกระด้างซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของ ISE บริสุทธิ์ และการนำเสนอความสามารถในการแปรรูปที่เหนือกว่า CPE จึงช่วยลดความต้านทานระหว่างพื้นผิวได้อย่างมีประสิทธิภาพ และส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมโลหะแบบโซลิดสเตทมีความเสถียรมากขึ้น

อิเล็กโทรไลต์กึ่งของแข็ง (QSSEs) เป็น สารประกอบ คอมโพสิต ประเภทกว้าง ที่ประกอบด้วยอิเล็กโทรไลต์เหลวและเมทริกซ์ของแข็ง อิเล็กโทรไลต์เหลวนี้ทำหน้าที่เป็น ทาง ผ่านของการนำไอออนในขณะที่เมทริกซ์ของแข็งช่วยเพิ่มความเสถียรทางกลให้กับวัสดุโดยรวม ดังที่ชื่อบ่งบอก QSSEs สามารถมีคุณสมบัติทางกลได้หลากหลาย ตั้งแต่วัสดุที่แข็งแรงเหมือนของแข็งไปจนถึงวัสดุที่มีลักษณะเป็นเนื้อครีม^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]} QSSEs สามารถแบ่งย่อยออกเป็นหลายประเภท ได้แก่ อิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์เจล (GPEs) อิเล็กโทรไลต์ไอ โอโนเจล ^{[ 62 ]}และอิเล็กโทรไลต์เจล (หรือที่รู้จักกันในชื่ออิเล็กโทรไลต์ "ทรายเปียก") GPEs ซึ่งเป็น QSSE ที่พบได้ทั่วไป มีกลไกการนำไอออนที่แตกต่างจาก SPEs อย่างมาก ซึ่งนำไอออนผ่านการโต้ตอบกับกลุ่มทดแทนของโซ่พอลิเมอร์ ในขณะเดียวกัน GPEs นำไอออนส่วนใหญ่ในตัวทำละลายซึ่งทำหน้าที่เป็นพลาสติไซเซอร์^{[ 63 ]}ตัวทำละลายทำหน้าที่เพิ่มการนำไฟฟ้าของไอออนในอิเล็กโทรไลต์และทำให้อิเล็กโทรไลต์อ่อนตัวลงเพื่อการสัมผัสระหว่างพื้นผิวที่ดีขึ้น เมทริกซ์ของ GPE ประกอบด้วยเครือข่ายพอลิเมอร์ที่บวมตัวในตัวทำละลายที่มีไอออนที่ออกฤทธิ์ (เช่น Li ⁺ , Na ⁺ , Mg ²⁺ , เป็นต้น) ซึ่งทำให้วัสดุคอมโพสิตมีทั้งคุณสมบัติทางกลของของแข็งและคุณสมบัติการขนส่งสูงของของเหลว พอลิเมอร์โฮสต์หลายชนิดถูกนำมาใช้ใน GPE รวมถึงPEO , PAN , PMMA , PVDF-HFPเป็นต้น พอลิเมอร์เหล่านี้ถูกสังเคราะห์ขึ้นโดยเพิ่มความพรุนเพื่อรวมตัวทำละลาย เช่นเอทิลีนคาร์บอเนต (EC), โพรพิลีนคาร์บอเนต (PC), ไดเอทิลคาร์บอเนต (DEC) และไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC) ^{[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]}โพลี(เอทิลีนไกลคอล) (PEG) ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำหรืออีเทอร์อื่นๆ หรือตัวทำละลายอินทรีย์ที่ไม่มีโปรตอนที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง เช่นไดเมทิลซัลฟอกไซด์ (DMSO)ก็สามารถผสมลงในเมทริกซ์ SPE ได้เช่นกัน^{[ 67 ] [ 68 ]}การเชื่อมโยงข้าม ด้วย รังสียูวีและความร้อนเป็นวิธีที่มีประโยชน์ในการพอลิเมอไรซ์ GPE ในแหล่งกำเนิดโดยตรงที่สัมผัสกับอิเล็กโทรดเพื่อให้ได้อินเทอร์เฟซที่ยึดเกาะได้อย่างสมบูรณ์แบบ^{[ 69 ]}ค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกในระดับ 1 mS/cm สามารถทำได้ง่ายด้วย GPE ดังที่แสดงให้เห็นในบทความวิจัยจำนวนมากที่ตีพิมพ์^{[ 70 ]}

กลุ่มย่อยที่เกิดขึ้นใหม่ของ QSSE ใช้เมทริกซ์วัสดุและตัวทำละลายตัวอย่างเช่นไอโอโนเจล ใช้ ของเหลวไอออนิกเป็นตัวทำละลายที่มีความปลอดภัยที่ดีขึ้น รวมถึงการไม่ติดไฟและความเสถียรที่อุณหภูมิสูง^{[ 62 ] [ 71 ]}เมทริกซ์วัสดุในไอโอโนเจลอาจแตกต่างกันไปตั้งแต่พอลิเมอร์วัสดุ^{[ 72 ]}ไปจนถึงนาโนวัสดุอนินทรีย์^{[ 60 ]}เมทริกซ์วัสดุเหล่านี้ (เช่นเดียวกับ QSSE ทั้งหมด) ให้ความเสถียรทางกลด้วยโมดูลัสการเก็บรักษาสูงถึง 1 MPa หรือสูงกว่า ในขณะเดียวกัน วัสดุเหล่านี้สามารถให้ค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกในระดับ 1 mS/cm โดยไม่ต้องใช้ตัวทำละลายที่ติดไฟได้ อย่างไรก็ตาม อิเล็กโทรไลต์เจล (เช่น อิเล็กโทรไลต์ "ทรายเปียก") สามารถให้ค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกที่คล้ายของเหลว (~ 10 mS/cm) ในขณะที่อยู่ในสถานะของแข็ง โดยทั่วไปแล้ว วัสดุเมทริกซ์ เช่น อนุภาคนาโน SiO2 _จะถูกจับคู่กับตัวทำละลายที่มีความหนืดต่ำ (เช่นเอทิลีนคาร์บอเนต (EC)) เพื่อสร้างเจล ซึ่งคุณสมบัติของเจลสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามปริมาณเมทริกซ์^{[ 73 ]}ปริมาณเมทริกซ์ตั้งแต่ 10 ถึง 40 wt% สามารถเปลี่ยนคุณสมบัติทางกลของอิเล็กโทรไลต์จากเนื้อเหลวเป็นเจลแข็งได้^{[ 59 ]}อย่างไรก็ตาม มีความสมดุลระหว่างความแข็งแรงทางกลและการนำไฟฟ้าของไอออน เนื่องจากความแข็งแรงทางกลเพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณเมทริกซ์เปลี่ยนแปลง ในขณะที่การนำไฟฟ้าของไอออนลดลง^{[ 74 ]}ถึงกระนั้น ปริมาณเมทริกซ์ในวัสดุเหล่านี้ก็อาจมีประโยชน์เพิ่มเติม เช่น การเพิ่มค่าการถ่าย โอนลิเธียม เนื่องจากวัสดุเมทริกซ์ที่มีฟังก์ชันการทำงาน^{[ 75 ]} QSSE ประเภทใหม่เหล่านี้เป็นพื้นที่วิจัยที่กำลังดำเนินการอยู่เพื่อพัฒนาการผสมผสานที่เหมาะสมที่สุดระหว่างเมทริกซ์และตัวทำละลาย^{[ 59 ] [ 73 ]}

สารอิเล็กโทรไลต์ของแข็งส่วนใหญ่ใช้ในระบบกักเก็บพลังงาน เช่น แบตเตอรี่ความหนาแน่นพลังงานสูงรุ่นใหม่ และซูเปอร์คาปาซิเตอร์

อิเล็กโทรไลต์ของแข็งส่วนใหญ่ใช้ในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ขั้นสูง โดยเฉพาะแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน^{[ 76 ] [ 77 ]}แบตเตอรี่โซเดียม^{[ 78 ]}แบตเตอรี่โลหะ^{[ 79 ]}เนื่องจากมีข้อดี เช่น ความปลอดภัยที่ดีขึ้น^{[ 80 ]}ความหนาแน่นของพลังงาน^{[ 81 ]}และความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า พร้อมศักยภาพในการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น^{[ 82 ]}มีวัสดุหลายประเภทที่ใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ของแข็งในแบตเตอรี่ที่ได้รับการศึกษาแล้ว ได้แก่ ออกไซด์^{[ 83 ]}ซัลไฟด์^{[ 81 ]}โพลิเมอร์^{[ 84 ]}ประเภทการ์เนต^{[ 85 ]}และวัสดุผสม^{[ 86 ]}

อิเล็กโทรไลต์ของแข็งช่วยให้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ ปลอดภัยยิ่งขึ้น ^{[ 87 ]}และมีประสิทธิภาพสูงขึ้น^{[ 88 ] [ 89 ]} โดยการแทนที่อิเล็กโทรไลต์เหลวที่ติดไฟได้ ในขณะที่ยังคงรักษา หรือ เพิ่มความสามารถในการเก็บพลังงาน^{[ 90 ] [ 91 ]}

อิเล็กโทรไลต์ของแข็งถูกนำมาใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์แบบย้อมสี (DSSC) เพื่อทดแทนอิเล็กโทรไลต์เหลวระเหย ซึ่งช่วยปรับปรุงเสถียรภาพในระยะยาวในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่แข่งขันได้^{[ 92 ] [ 93 ]}มีการสำรวจกลยุทธ์วัสดุหลายอย่าง ได้แก่ คอมโพสิตพอลิเมอร์^{[ 94 ]} คอมโพสิต ที่ ใช้ซิลิกา^{[ 95 ]}

อิเล็กโทรไลต์ของแข็งช่วยให้ทรานซิสเตอร์ไฟฟ้าเคมีอินทรีย์ (OECTs) ^{[ 96 ]}สำหรับวงจรรวม ไบโออิเล็กทรอนิกส์ และเซ็นเซอร์แบบสวมใส่ได้ โดยการแทนที่อิเล็กโทรไลต์เหลวด้วยวัสดุต่างๆ เช่น ไอออนเจล ไฮโดรเจล และโพลีอิเล็กโทรไลต์^{[ 97 ]}อิเล็กโทรไลต์ของแข็งสามารถเอาชนะและปรับปรุงข้อจำกัดของอิเล็กโทรไลต์เหลวได้^{[ 98 ]}ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของ OECTs ด้วยความไวและความเสถียรสูง^{[ 99 ]}ภายใต้สภาวะต่างๆ รวมถึงการไบแอสอย่างต่อเนื่อง การทำงานในระยะยาว และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ^{[ 100 ]}มีการศึกษาวัสดุหลายชนิดสำหรับ OECTs ของแข็ง ได้แก่ อิลาสโตเมอร์ผลึกเหลวไอออนิก (ILCEs) ^{[ 101 ] [ 102 ]}โพลิเมอร์^{[ 100 ]}และไบโอโพลิเมอร์ไคโตซาน^{[ 103 ]}

อิเล็กโทรไลต์ของแข็งถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเซ็นเซอร์ก๊าซและสารเคมี^{[ 104 ]}สำหรับการตรวจจับก๊าซหลายชนิด (O₂, H₂, CO, CO₂, NH₃,...) ^{[ 105 ]}ในการใช้งานด้านการตรวจสอบทางอุตสาหกรรมและสิ่งแวดล้อมที่หลากหลาย^{[ 106 ]}ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ก๊าซและปรับปรุงความสามารถในการเลือก ความไว และความเสถียร^{[ 107 ]}

อุปกรณ์อิเล็กโทรโครมิก (หน้าต่างอัจฉริยะ จอแสดงผล กระจก) มักใช้พอลิเมอร์ เจล หรืออิเล็กโทรไลต์ของแข็งอนินทรีย์เป็นชั้นนำไอออนระหว่างอิเล็กโทรโครมิกและอิเล็กโทรดตรงข้าม^{[ 108 ] [ 109 ]}อิเล็กโทรไลต์ของแข็งช่วยปรับปรุงความต้านทานการรั่วไหล ความเสถียรเชิงกล และอายุการใช้งานของอุปกรณ์เมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลต์เหลว^{[ 110 ]} ทำให้สามารถ สร้าง หน้าต่างอัจฉริยะที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่และยืดหยุ่นได้^{[ 111 ] [ 112 ]}

• แบตเตอรี่โซลิดสเตท
• แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
• แบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์
• การวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

• แบตเตอรี่โซลิดสเตทสืบค้นข้อมูลเมื่อ 2020-06-26