胡良兵固態電池最新Nature

【引言】

以鋰金屬為負極的固態電池是具有高能量密度和安全性的新一代儲能系統。這類電池的實現將在很大程度上取決于固態電解質的優良離子導體和正極材料的離子導電網絡的發展。固體聚合物電解質(SPEs)——通常是基于醚的，如聚(環氧乙烷)(PEO)——是很有前途的候選材料，因為它們密度低，能夠在高溫下解離Li鹽，易于加工，與電極良好的界面接觸。然而，鋰離子在SPEs中的傳輸與聚合物鏈的節段運動高度耦合，導致離子電導率有限(通常在室溫下小于10^-5?S cm^-1)和低Li+轉移數(通常0.2-0.5)。

為了提高Li+離子的導電性，SPEs通常在高溫下使用，以促進聚合物的節段運動，加快離子運動。然而，提高溫度會惡化SPE的機械強度，危及電池的安全性。改善SPEs的Li+電導率、遷移數和/或力學性能的其他努力包括用交聯聚合物、嵌段共聚物和單離子導電聚合物改性聚合物基體結構，或加入無機填料。盡管采用了這些方法，但在離子傳導、遷移數和機械強度之間的權衡已經持續了四十多年，室溫離子電導率幾乎沒有達到10^-4S cm^-1。此外，SPEs作為正極材料的離子導電添加劑時離子滲濾性較差，需要閾值含量約為25wt% SPE，進一步降低了電池的能量密度。顯然，必須對常規SPE結構和Li+傳輸機制進行改性，以滿足未來的儲能需求。

今日，美國布朗大學Yue Qi、美國馬里蘭大學胡良兵教授課題組探索了一種聚合物離子導體的設計策略，即擴展分子間聚合物結構，將Li⁺的輸運與聚合物的節段弛豫解耦，從而獲得高離子電導率。本工作表明，通過銅離子(Cu²⁺)與一維纖維素納米纖維的配位，在通常離子絕緣的纖維素中，分子通道的開放可以使Li+離子沿著聚合物鏈快速傳輸。除了具有較高的Li⁺電導率外，Cu²⁺配位的纖維素離子導體還具有較高的遷移數(0.78，而其他聚合物僅為0.2~0.5)和較寬的電化學穩定窗口(0-4.5V)，可以同時容納Li金屬負極和高電壓正極。這種一維離子導體還允許在厚的LiFePO₄固態正極中進行離子滲透，以應用于具有高能量密度的電池。此外，本工作還驗證了這種分子通道工程方法與其他聚合物和陽離子的普適性，實現了類似的高電導率，其意義可能超越安全、高性能的固態電池范疇。相關研究成果以“Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries”為題發表在Nature上。

【圖文導讀】

圖1. Li-Cu-CNF固態離子導體的結構和離子輸運性能

圖2. Li-Cu-CNF合成過程中的結構演化

圖3. Li⁺在Li-Cu-CNF中的電導率和輸運機理

圖4.?使用Li-Cu-CNF離子導體的固態鋰金屬電池演示

文獻鏈接：“Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries”. Nature (2021). https://doi-org-443.webvpn.bjmu.edu.cn/10.1038/s41586-021-03885-6?

本文由溫華供稿。