《nature sustainability》：用于固态电池电解质的可再生纤维素生物聚合物的分子工程

原创 科研魔方 能源人 2024年10月15日 07:27 广东

通讯作者：乔燕 研究员、李玉涛 研究员、曹安民 研究员

通讯单位：中国科学院化学研究所、中国科学院物理研究所

全文链接：https://doi.org/10.1038/s41893-024-01414-7

成果简介

为了解决丰富和可再生纤维素因离子绝缘性限制其固态电解质应用问题，中国科学院化学研究所曹安民研究员课题组提出通过酯化反应将纤维素中丰富的羟基由邻苯二甲酸酐取代，形成邻苯二甲酸纤维素（CP），将纤维素转化为具有1.09×10-3 S cm-1的锂（Li）离子电导率、0.81的迁移数和12 MPa的机械强度的耐用电解质。此外，邻苯二甲酸酯基团的引入确保纤维素骨架中有效的多氧位点与锂离子相互作用，以创建快速的Li离子传输通道，同时还重塑了高机械性能的分子间氢键。该生物聚合物薄膜组装的固态Li/CP/LiFePO4电池展现出高可逆容量(0.1C, 158.5 mAh g-1)以及长循环稳定性(1C, 1000圈)，比使用易燃有机液体电解质的锂离子电池具有更好的稳定性。这一研究成果揭示了纤维素在电池中利用的巨大潜力，并为开发丰富和可持续的固态电解质开辟了一条途径。

研究背景

纤维素被称为地球上最丰富的生物聚合物，是一种由β-缩醛键连接的葡萄糖单元组成的多糖。目前，纤维素主要用于造纸和纺织工业，其可用性，无毒，可生物降解性和优异的机械性能以及纤维素骨架上丰富的可分子设计羟基基团为纤维素在二次电池固态电解质（SSE）中展现出巨大潜力的应用潜力。然而，纤维素的高结晶度阻碍了Li+的传输和Li+-聚合物相互作用以解离锂盐。为了解决这一问题，我们展示了一种分子工程策略，将惰性纤维素转化为高性能SSE的活性主体，在CP内建立了一个强大的Li+导电网络。此外，羧基在CP链之间产生强氢键网络，即使在高锂盐含量下也提高了膜的机械强度和耐久性。

结论和创新点

图1. 高Li+导电纤维素固态电解质框架的合成途径

本工作创新性在于通过绿色和可拓展的工艺将丰富和可再生的惰性纤维素转化为离子传导固体电解质。纤维素链之间的氢键网络和Li+多氧配位点组成的双重网络表现出高的机械强度和快速的Li+运动，得到兼具高离子电导率和高强度的SSE。该研究为可持续发展的生物高分子基固态电解质开辟了一条新的研究途径，促进了生态友好型材料在先进储能技术中的广泛应用。

作者简介

第一作者

李锦阳，毕业于中国科学院化学研究所，获工学博士学位。曹安民教授课题组博士研究生。主要研究方向：生物质基高性能电池材料。

通讯作者

曹安民，中国科学院化学研究所研究员，中国科学院大学岗位教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。研究工作聚焦于纳米能源化学，基于电极材料表界面纳米结构精确调控，研究为功能纳米材料表界面结构的精确调控及其在与能源相关领域中的应用、新型二次电池电极材料体系的开发与应用。代表性成果发表在Nature Sustainability、Nature Materials、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Adv. Energy Mater.等国际著名杂志上。目前作为项目负责人或技术骨干及成员参与了863、973等多项研究工作。