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怎样打造更安全的电池?一种来自树木的材料意外解难

树木中提取的纤维素,也许能取代下一代电池中的液体电解质。

为了制造储能更多、使用更安全的电池,研究人员正在努力尝试用固体材料取代目前普遍使用的液体电解质。eurekalert.org网站当地时间10月21日报道,美国布朗大学和马里兰大学的研究人员开发了一种可用于固态电池的新材料,材料的来源出人意料:树木。相关论文刊登在《自然》杂志中。

研究人员在新研究中展示了一种固体离子导体,它是铜和纤维素纳米纤维的融合产物。这种超薄材料的离子导电性是其他聚合物离子导体导电性的10~100倍。它既可以用作固态电池的电解质,也能作为全固态电池阴极的离子导电粘合剂。

马里兰大学教授Liangbing Hu说:“铜与一维纤维素纳米纤维结合后,通常离子绝缘的纤维素赋予了聚合物链段更快的锂离子传输性能。事实上,这种离子导体创造了固体聚合物电解质离子电导率的新纪录。”

目前,锂离子电池的电解质由溶解在液态有机溶剂中的锂盐制成。电解质的作用是在电池的阴/阳极之间传导锂离子。液体电解质性能出色,但易造成电池短路,从而引发火灾;相比之下,固体电解质可由非易燃材料制成,更易避免上述隐患。此前,大多数固体电解质基于陶瓷材料设计。虽然它们具有良好的离子导电性,但很厚也很脆,在制造及充放电过程中极易产生裂纹甚至断裂。新研究开发的材料是薄而柔韧的,厚度与纸张无异,并且离子导电性与陶瓷相当。

布朗大学研究人员Yue Qi和Qisheng Wu用计算机模拟分析了铜-纤维素材料的微观结构,揭示了其离子传输机制。结果表明,铜扩充了紧密排列的纤维素聚合物链之间的空间,创造出了“离子高速通道”,大大削减了锂离子的通行阻力。Qi说:“锂离子在铜-纤维素材料中的移动机制与无机陶瓷类似。使用天然材料将减少电池制造业对环境的不利影响。”

除了作为固态电解质,新材料还能用作固态电池的阴极粘合剂。为了与阳极容量匹配,工程师需要增加阴极厚度,但这又会影响离子传导,降低效率。为了使厚阴极正常工作,需要将其包覆在粘合剂中。以新材料作为粘合剂,Hu获得了有史以来最厚的功能性阴极。

不可否认的是,新材料的诞生有望使固态电池技术向大众市场迈出一大步。

科界原创

编译:德克斯特 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《自然》

期刊编号:0028-0836

原文链接:https://www.eurekalert.org/news-releases/932386

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