1. 研究背景
固態(tài)鋰金屬電池因其高能量密度和安全性被視為下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)的理想選擇。然而，現(xiàn)有的固態(tài)離子導(dǎo)體無法滿足電池操作的嚴(yán)格要求。無機(jī)離子導(dǎo)體雖然具有高離子導(dǎo)電性，但其剛性和脆性導(dǎo)致與電極的界面接觸不良；而聚合物離子導(dǎo)體雖然具有較好的界面兼容性和機(jī)械耐受性，但其離子導(dǎo)電性通常較低，且鋰離子傳輸與聚合物鏈的運(yùn)動(dòng)高度耦合。本文提出了一種通過分子通道工程實(shí)現(xiàn)高性能固態(tài)聚合物離子導(dǎo)體的通用策略，通過銅離子（Cu2?）與一維纖維素納米纖維（CNF）的配位，成功打開了纖維素分子通道，實(shí)現(xiàn)了鋰離子的快速傳輸，為固態(tài)電池的發(fā)展提供了新的解決方案。
2. 本文要點(diǎn)
1. 分子通道工程。通過銅離子與纖維素納米纖維的配位，打開了纖維素分子通道，顯著提高了鋰離子的傳輸效率，室溫下沿分子鏈方向的鋰離子電導(dǎo)率高達(dá)1.5 × 10?3 S/cm。
2. 離子傳輸機(jī)制。在 Li-Cu-CNF 分子通道中，纖維素分子鏈上存在大量的羥基（-OH）、羧酸根（-COO?）、烷氧基（-RO?）和醚基（-EO）等含氧官能團(tuán)，形成大量Li-O 配位。當(dāng)Li+移動(dòng)時(shí)，可以只從一兩個(gè)鍵合氧原子上解離，同時(shí)仍與其它配位，從而產(chǎn)生較低的遷移能壘。
3.關(guān)鍵性能突破。Li-Cu-CNF擁有較高的鋰離子遷移數(shù)，達(dá)到0.78，在離子傳輸中具有較高的效率；具有良好的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠與電極材料形成良好的界面接觸；其電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬達(dá)0–4.5 V，能夠兼容鋰金屬陽極和高壓陰極材料。
圖1. 纖維素納米纖維（CNF）的層次結(jié)構(gòu)示意圖及其離子傳輸性能
圖2. Li-Cu-CNF合成過程中的結(jié)構(gòu)演變
圖3. Li-Cu-CNF中Li+傳導(dǎo)性和傳輸機(jī)制
圖4. Li-Cu-CNF在固態(tài)電池中的應(yīng)用
3. 研究結(jié)論
本文通過銅離子配位纖維素納米纖維，成功開發(fā)了一種高性能的固態(tài)離子導(dǎo)體（Li-Cu-CNF），其室溫下的鋰離子電導(dǎo)率高達(dá)1.5 × 10?3 S/cm，轉(zhuǎn)移數(shù)為0.78，電化學(xué)穩(wěn)定性窗口為0-4.5 V。該離子導(dǎo)體通過分子通道工程實(shí)現(xiàn)了鋰離子傳輸與聚合物鏈運(yùn)動(dòng)的解耦，顯著提高了離子導(dǎo)電性。此外，Li-Cu-CNF不僅可以用作薄而致密的固態(tài)電解質(zhì)，還能作為厚電極的離子導(dǎo)電粘合劑，顯著提升了固態(tài)電池的能量密度。這一設(shè)計(jì)策略不僅適用于鋰離子導(dǎo)體，還可擴(kuò)展到其他聚合物和陽離子體系，為高性能固態(tài)離子導(dǎo)體的開發(fā)提供了新的思路。
4. 文章信息
Chunpeng Yang, Qisheng Wu, Weigi Xie, Xin Zhang, Alexandra Brozena, Jin Zheng, Mounesha N. Garaga, Byung Hee Ko, Yimin Mao, Shuaiming He, Yue Gao, Pengbo Wang, Madhusudan Tyagi, Feng Jiao, Robert Briber, Paul Albertus, Chunsheng Wang, Steven Greenbaum, Yan-Yan Hu, Akira Isogai, Martin Winter, Kang Xu, Yue Qi* & Liangbing Hu*. Nature, 598, 590–596 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03885-6
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