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布朗大学利用木材开发固态电解质材料 使离子导电率提高10-100倍

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58京牌 ,为了让电池能够提供更多电力,更加安全地运行,研究人员致力于用固体材料取代当前锂离子电池中普遍使用的液体。布朗大学(Brown University)和马里兰大学(University of Maryland)的研究团队利用木材,开发了一种可用于固态电池的新材料。

(图片来源:布朗大学)

该团队展示了一种固态离子导体,将铜与纤维素纳米原纤维结合在一起。其中的纤维素纳米原纤维是源自木材的聚合物管。研究人员表示,这种材料像纸一样薄,其离子导电率约为其他聚合物离子导体的10-100倍,可用作固态电池电解质,或者全固态电池正极的离子导电粘合剂。

马里兰大学材料科学和工程系的Liangbing Hu教授表示:“通过将铜与一维纤维素纳米原纤维结合在一起,我们发现,正常的离子绝缘纤维素能够在聚合物链内更快地传输锂离子。事实上,我们发现,在所有固态聚合物电解质中,这种离子导体的高离子导电率均能达到创纪录水平。”

目前,锂离子电池在手机、汽车等领域得到广泛应用,其电解质由溶解在液体有机溶剂中的锂盐制成。通过电解液在电池的正负极之间传导锂离子,能起到良好的效果,但也有一些缺点。比如,在高电流下会形成锂枝晶,从而导致短路。此外,液体电解质由易燃和有毒化学品制成,可能发生火灾。

固态电解质具有防止枝晶穿透的潜力,并由非易燃材料制成。调查显示,目前使用的固态电解质大多为陶瓷材料,具有良好离子传导能力。但是,这些材料大多厚、硬且脆。制造过程及充放电过程中产生的应力能使其出现裂缝和断裂。

然而,本项研究推出的材料薄且有弹性,几乎像一张纸一样。而且,其离子导电性可以媲美陶瓷材料。布朗大学的高级副研究员Qi和Qisheng Wu对这种铜-纤维素材料的微结构进行了计算机模拟,以发现其具有良好离子导电性的原因。建模研究显示,铜使纤维素聚合物链之间的空间增大,这通常存在于紧密排列的束中。间距扩大相当于产生了离子高速公路,使锂离子可以相对不受阻碍地移动。“锂离子通过在非有机陶瓷中发现的典型机制,在这种有机固态电解质中移动,从而实现创纪录水平的高离子导电率。使用来自大自然的材料,有助于减少制造电池的对环境造成的整体影响。”

除了可以作为固态电解质,这种新材料还可以作为正极粘合剂,用于固态电池。为了匹配负极的容量,正极需要更厚。然而,这种厚度会影响离子导电性,使效率降低。为了让更厚的正极工作,需要将其封装在离子导电粘合剂中。该团队使用这种新材料作为粘合剂,并表示这是曾经报道过的最厚的功能性正极之一。

研究人员希望,这种新材料能够将固态电池技术进一步推向大众市场。

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