胡良兵固态电池最新Nature

【引言】

以锂金属为负极的固态电池是具有高能量密度和安全性的新一代储能系统。这类电池的实现将在很大程度上取决于固态电解质的优良离子导体和正极材料的离子导电网络的发展。固体聚合物电解质(SPEs)——通常是基于醚的，如聚(环氧乙烷)(PEO)——是很有前途的候选材料，因为它们密度低，能够在高温下解离Li盐，易于加工，与电极良好的界面接触。然而，锂离子在SPEs中的传输与聚合物链的节段运动高度耦合，导致离子电导率有限(通常在室温下小于10^-5S cm^-1)和低Li+转移数(通常0.2-0.5)。

为了提高Li+离子的导电性，SPEs通常在高温下使用，以促进聚合物的节段运动，加快离子运动。然而，提高温度会恶化SPE的机械强度，危及电池的安全性。改善SPEs的Li+电导率、迁移数和/或力学性能的其他努力包括用交联聚合物、嵌段共聚物和单离子导电聚合物改性聚合物基体结构，或加入无机填料。尽管采用了这些方法，但在离子传导、迁移数和机械强度之间的权衡已经持续了四十多年，室温离子电导率几乎没有达到10^-4S cm^-1。此外，SPEs作为正极材料的离子导电添加剂时离子渗滤性较差，需要阈值含量约为25wt% SPE，进一步降低了电池的能量密度。显然，必须对常规SPE结构和Li+传输机制进行改性，以满足未来的储能需求。

今日，美国布朗大学Yue Qi、美国马里兰大学胡良兵教授课题组探索了一种聚合物离子导体的设计策略，即扩展分子间聚合物结构，将Li⁺的输运与聚合物的节段弛豫解耦，从而获得高离子电导率。本工作表明，通过铜离子(Cu²⁺)与一维纤维素纳米纤维的配位，在通常离子绝缘的纤维素中，分子通道的开放可以使Li+离子沿着聚合物链快速传输。除了具有较高的Li⁺电导率外，Cu²⁺配位的纤维素离子导体还具有较高的迁移数(0.78，而其他聚合物仅为0.2~0.5)和较宽的电化学稳定窗口(0-4.5V)，可以同时容纳Li金属负极和高电压正极。这种一维离子导体还允许在厚的LiFePO₄固态正极中进行离子渗透，以应用于具有高能量密度的电池。此外，本工作还验证了这种分子通道工程方法与其他聚合物和阳离子的普适性，实现了类似的高电导率，其意义可能超越安全、高性能的固态电池范畴。相关研究成果以“Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图1. Li-Cu-CNF固态离子导体的结构和离子输运性能

图2. Li-Cu-CNF合成过程中的结构演化

图3. Li⁺在Li-Cu-CNF中的电导率和输运机理

图4. 使用Li-Cu-CNF离子导体的固态锂金属电池演示

文献链接：“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

本文由温华供稿。