一种从树木中提取的材料可能会取代下一代电池中的液体电解质。
普罗维登斯，罗德岛[布朗大学]-为了追求提供更多能量和运行更安全的电池，研究人员正在努力用固体材料取代目前常用的锂离子电池中的液体。现在，布朗大学和马里兰大学的一个研究小组已经开发出一种用于固态电池的新材料，这种材料来自一种不太可能的来源:树木。
在发表在《自然》杂志上的研究中，该团队进行了演示固体离子co铜与纤维素纳米纤维结合的导体——来自木材的聚合物管。纸一样薄的材料有离子研究人员说，它的导电性比其他聚合物离子导体好10到100倍。它既可以用作固体电池电解液，也可以用作离子电池全固态电池阴极的导电粘合剂。
“通过将铜与一维纤维素纳米纤维结合，我们证明了通常离子绝缘的纤维素在聚合物链中提供了更快的锂离子传输，”马里兰大学材料科学与工程系教授胡良兵说。“事实上，我们发现这种离子导体在所有固体聚合物电解质中实现了创纪录的高离子导电性。”
这项工作是由胡教授的实验室和布朗大学工程学院的戚悦教授的实验室合作完成的。
如今，锂离子电池广泛应用于从手机到汽车的所有领域，其电解质由锂盐溶解在一种液体有机溶剂中制成。电解液的作用是在电池的正极和负极之间传导锂离子。液体电解质工作得很好，但也有一些缺点。在大电流下，微小的金属锂细丝，即枝晶，会在电解液中形成，导致短路。此外，液体电解质是由易燃有毒化学物质制成的，可能会着火。
固体电解质具有防止枝晶穿透的潜力，并且可以由非易燃材料制成。到目前为止，研究的大多数固体电解质都是陶瓷材料，它们很好地导电离子，但它们也很厚、坚硬、易碎。制造过程中的应力以及充电和放电可以导致裂纹和断裂。
然而，这项研究中引入的材料很薄，很有弹性，就像一张纸一样。它的离子电导率与陶瓷相当。
Qi和布朗大学的高级研究员Wu Qisheng对铜-纤维素材料的微观结构进行了计算机模拟，以理解为什么它能够如此好地导电离子。模拟研究表明，铜增加了纤维素聚合物链之间的空间，通常以紧密的束状存在。这种扩展的间距创造了离子高速公路，锂离子可以相对畅通无阻地通过。
“锂离子通过无机陶瓷中常见的机制在有机固体电解质中移动，使其具有创纪录的高离子电导率，”Qi说。“使用自然提供的材料将减少电池制造对环境的整体影响。”
除了作为固态电解质，这种新材料还可以作为固态电池的阴极粘合剂。为了匹配阳极的容量，阴极需要更厚。然而，这种厚度会影响离子的传导，降低效率。为了让更厚的阴极工作，它们需要被封装在离子导电粘合剂中。利用他们的新材料作为粘合剂，研究小组展示了他们认为是迄今为止报道过的最厚的功能性阴极之一。
研究人员希望，这种新材料可以使固态电池技术走向大众市场。
布朗大学的这项研究得到了美国国家科学基金会(DMR-2054438)的支持。
