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

据外媒报道，为了让电池能够提供更多电力，更加安全地运行，研究人员致力于用固体材料取代当前锂离子电池中普遍使用的液体。布朗大学（Brown University）和马里兰大学（University of Maryland）的研究团队利用木材，开发了一种可用于固态电池的新材料。

（图片来源：布朗大学）

该团队展示了一种固态离子导体，将铜与纤维素纳米原纤维结合在一起。其中的纤维素纳米原纤维是源自木材的聚合物管。研究人员表示，这种材料像纸一样薄，其离子导电率约为其他聚合物离子导体的10-100倍，可用作固态电池电解质，或者全固态电池正极的离子导电粘合剂。

马里兰大学材料科学和工程系的Liangbing Hu教授表示：“通过将铜与一维纤维素纳米原纤维结合在一起，我们发现，正常的离子绝缘纤维素能够在聚合物链内更快地传输锂离子。事实上，我们发现，在所有固态聚合物电解质中，这种离子导体的高离子导电率均能达到创纪录水平。”

目前，锂离子电池在手机、汽车等领域得到广泛应用，其电解质由溶解在液体有机溶剂中的锂盐制成。通过电解液在电池的正负极之间传导锂离子，能起到良好的效果，但也有一些缺点。比如，在高电流下会形成锂枝晶，从而导致短路。此外，液体电解质由易燃和有毒化学品制成，可能发生火灾。

固态电解质具有防止枝晶穿透的潜力，并由非易燃材料制成。调查显示，目前使用的固态电解质大多为陶瓷材料，具有良好离子传导能力。但是，这些材料大多厚、硬且脆。制造过程及充放电过程中产生的应力能使其出现裂缝和断裂。

然而，本项研究推出的材料薄且有弹性，几乎像一张纸一样。而且，其离子导电性可以媲美陶瓷材料。布朗大学的高级副研究员Qi和Qisheng Wu对这种铜－纤维素材料的微结构进行了计算机模拟，以发现其具有良好离子导电性的原因。建模研究显示，铜使纤维素聚合物链之间的空间增大，这通常存在于紧密排列的束中。间距扩大相当于产生了离子高速公路，使锂离子可以相对不受阻碍地移动。“锂离子通过在非有机陶瓷中发现的典型机制，在这种有机固态电解质中移动，从而实现创纪录水平的高离子导电率。使用来自大自然的材料，有助于减少制造电池的对环境造成的整体影响。”

除了可以作为固态电解质，这种新材料还可以作为正极粘合剂，用于固态电池。为了匹配负极的容量，正极需要更厚。然而，这种厚度会影响离子导电性，使效率降低。为了让更厚的正极工作，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，并表示这是曾经报道过的最厚的功能性正极之一。

研究人员希望，这种新材料能够将固态电池技术进一步推向大众市场。