布朗大学利用木材开发固态电解质材料 使离子导电率提高10-100倍

据国外媒体报道，为了让电池提供更大的功率，运行更安全，研究人员致力于将锂离子电池常用的液体替换为固体材料。布朗大学和马里兰大学的研究团队开发了一种使用木材的固态电池新材料。

(来源:布朗大学)

该团队展示了一种结合了铜和纤维素纳米纤维的固体离子导体。其中纤维素纳米纤维是源自木材的聚合物管。研究人员表示，这种材料薄如纸，其离子电导率约为其他聚合物离子导体的10-100倍，可用作固态电池的电解质或全固态电池阳极的离子导电粘合剂。

马里兰大学材料科学与工程系的梁冰·胡教授说:“通过将铜与一维纤维素纳米纤维结合，我们发现普通的离子绝缘纤维素可以在聚合物链中更快地传输锂离子。事实上，我们发现这种离子导体的高离子电导率可以在所有固体聚合物电解质中达到创纪录的水平。”

目前，锂离子电池广泛应用于手机、汽车等领域，其电解液由锂盐溶解在液态有机溶剂中制成。通过电解液在电池正负极之间传导锂离子可以达到很好的效果，但也有一些缺点。比如大电流下会形成锂枝晶，导致短路。此外，液体电解质由易燃和有的化学物质制成，可能会引起火灾。

固体电解质具有防止枝晶渗透的潜力，并且由不可燃材料制成。调查表明，目前使用的固体电解质大多是具有良好离子导电性的陶瓷材料。然而，这些材料大多又厚又硬又脆。制造过程和充放电过程中产生的应力会导致裂纹和断裂。

然而，这项研究中介绍的材料很薄，有弹性，几乎像一张纸。此外，它的离子传导率可与陶瓷材料相媲美。布朗大学的高级副研究员齐和吴启生用计算机模拟了这种铜-纤维素材料的微观结构，以找出它具有良好离子导电性的原因。建模研究表明，铜增加了纤维素聚合物链之间的空间，这些链通常以紧密排列的束存在。间距的扩大相当于离子高速公路，使得锂离子的移动相对畅通无阻。“锂离子通过无机陶瓷中的典型机制在这种有机固体电解质中运动，从而实现了创纪录的高离子电导率。使用来自大自然的材料有助于减少制造电池对环境的整体影响。”

除了用作固体电解质，这种新材料还可以用作固态电池的正极粘合剂。为了匹配负电极的容量，正电极需要更厚。然而，该厚度将影响离子电导率并降低效率。为了使较厚的阴极工作，需要将其封装在离子导电粘合剂中。该团队使用这种新材料作为粘合剂，并表示这是有史以来报道的最厚的功能阴极之一。

研究人员希望这种新材料能够进一步将固态电池技术推向大众市场。据国外媒体报道，为了让电池提供更大的功率，运行更安全，研究人员致力于将锂离子电池常用的液体替换为固体材料。布朗大学和马里兰大学的研究团队开发了一种使用木材的固态电池新材料。

(来源:布朗大学)

该团队展示了一种结合了铜和纤维素纳米纤维的固体离子导体。其中纤维素纳米纤维是源自木材的聚合物管。研究人员表示，这种材料薄如纸，其离子电导率约为其他聚合物离子导体的10-100倍，可用作固态电池的电解质或全固态电池阳极的离子导电粘合剂。

玛丽大学材料科学与工程系胡教授……d说:“通过将铜与一维纤维素纳米纤维结合，我们发现正常的离子绝缘纤维素可以在聚合物链中更快地传输锂离子。事实上，我们发现这种离子导体的高离子电导率可以在所有固体聚合物电解质中达到创纪录的水平。”

目前，锂离子电池广泛应用于手机、汽车等领域，其电解液由锂盐溶解在液态有机溶剂中制成。通过电解液在电池正负极之间传导锂离子可以达到很好的效果，但也有一些缺点。比如大电流下会形成锂枝晶，导致短路。此外，液体电解质由易燃和有的化学物质制成，可能会引起火灾。

固体电解质具有防止枝晶渗透的潜力，并且由不可燃材料制成。调查表明，目前使用的固体电解质大多是具有良好离子导电性的陶瓷材料。然而，这些材料大多又厚又硬又脆。制造过程和充放电过程中产生的应力会导致裂纹和断裂。

然而，这项研究中介绍的材料很薄，有弹性，几乎像一张纸。此外，它的离子传导率可与陶瓷材料相媲美。布朗大学的高级副研究员齐和吴启生用计算机模拟了这种铜-纤维素材料的微观结构，以找出它具有良好离子导电性的原因。建模研究表明，铜增加了纤维素聚合物链之间的空间，这些链通常以紧密排列的束存在。间距的扩大相当于离子高速公路，使得锂离子的运动相对畅通无阻。“锂离子通过无机陶瓷中的典型机制在这种有机固体电解质中运动，从而实现了创纪录的高离子电导率。使用来自大自然的材料有助于减少制造电池对环境的整体影响。”

除了用作固体电解质，这种新材料还可以用作固态电池的正极粘合剂。为了匹配负电极的容量，正电极需要更厚。然而，该厚度将影响离子电导率并降低效率。为了使较厚的阴极工作，需要将其封装在离子导电粘合剂中。该团队使用这种新材料作为粘合剂，并表示这是有史以来报道的最厚的功能阴极之一。

研究人员希望这种新材料能够进一步将固态电池技术推向大众市场。

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