木材与锂电池如何搭上关系？铜与木质素结合可成为现今性能最好的电解质

为了追求能提供更多能量和更安全运行的电池，研究人员正在努力用固体材料取代今天的锂离子电池中常用的液体。现在，来自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，它来自一个不太可能的来源：树木。

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在《自然》杂志上发表的研究中，该团队展示了一种固体离子导体，它将铜与来自木材的纤维素纳米纤维--聚合物管相结合。研究人员说，这种薄如纸的材料的离子传导性比其他聚合物离子导体好10到100倍。它既可以作为固体电池的电解质，也可以作为全固态电池阴极的离子传导粘合剂。

马里兰大学材料科学与工程系教授Liangbing Hu说："通过将铜与一维纤维素纳米纤维结合起来，我们证明了通常离子绝缘的纤维素在聚合物链内提供了更快的锂离子传输。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达到了创纪录的高离子传导率。"这项工作是Hu的实验室和布朗大学工程学院教授Yue Qi的实验室之间的合作。

今天的锂离子电池，从手机到汽车都被广泛使用，其电解质由溶解在液体有机溶剂中的锂盐制成。电解液的工作是在电池的阴极和阳极之间传导锂离子。液体电解质工作得很好，但它们有一些缺点。在高电流下，锂金属的微小丝状物，称为树枝状物，可以在电解质中形成，导致短路。此外，液体电解质是用易燃和有毒化学品制成的，可能会起火。

固体电解质有可能防止树枝状物的渗透，并且可以用不易燃的材料制成。迄今为止，所研究的大多数固体电解质都是陶瓷材料，它们在传导离子方面非常出色，但它们也很厚、很硬、很脆。制造过程中的应力以及充电和放电会导致裂缝和断裂。

然而，这项研究中引入的材料是薄而灵活的，几乎像一张纸，而且其离子传导性与陶瓷相当。

Qi和布朗大学的高级研究助理Qisheng Wu对铜-纤维素材料的微观结构进行了计算机模拟，以了解它为什么能够如此好地传导离子。模拟研究显示，铜增加了纤维素聚合物链之间的空间，这些聚合物链通常以紧密的束状存在。扩大的空间创造了相当于离子的超级高速公路，锂离子可以相对不受阻碍地通过。

Qi说："锂离子通过我们通常在无机陶瓷中发现的机制在这种有机固体电解质中移动，从而实现了创纪录的高离子传导率。使用大自然提供的材料将减少电池制造对我们环境的整体影响。"

除了作为固体电解质工作外，这种新材料还可以作为固态电池的阴极粘合剂。为了与阳极的容量相匹配，阴极需要大幅加厚。然而，这种厚度会影响离子的传导，降低效率。为了使更厚的阴极发挥作用，它们需要被包裹在一种离子传导的粘合剂中。使用他们的新材料作为粘合剂，该团队展示了他们认为是有史以来报告的最厚的功能性阴极之一。

研究人员希望这种新材料能够成为将固态电池技术推向大众市场的一个重要步骤。在实验中，研究人员利用这种蓄电体表面的凹凸处附着电子能蓄电的性质，成功的实现充放电。产生的电量可以将小灯泡点亮约7秒钟，重量能量密度为每公斤1.0瓦时，有时会出现10瓦时的数值。如果单纯的按照蓄电性能来算，它相当于锂电池的1/200和1/20。