NS:可再生纤维素用于固态电池电解质

原创 新能源那些事 新能源电池那些事儿 2024年09月26日 17:15 北京

作为最丰富和可再生的生物聚合物，纤维素在医疗保健、包装、电子和环境修复等领域得到了广泛的应用，有助于向可持续发展过渡。本研究采用绿色可扩展工艺将纤维素转化为锂离子电导率为1.09 × 10−3 S/cm，传递数为0.81，机械强度为12 MPa的坚固电解质。我们的工艺利用纤维素中丰富的羟基，通过酯化反应被邻苯二甲酸乙酯取代，形成邻苯二甲酸纤维素(CP)。结合实验和理论分析表明，邻苯二甲酸酯基团的引入不仅可以确保多氧与Li离子有效相互作用以创建快速离子传输通道，而且还可以促进分子间氢键的形成，从而产生令人印象深刻的力学性能。CP生物聚合物薄膜甚至与大多数商用正极材料兼容，并且我们的固态Li/CP/LiFePO4电池表现出更好的性能，并且在1000次循环中表现出比具有可燃有机液体电解质的基准锂离子电池更好的稳定性。我们的研究揭示了纤维素在电池中利用的巨大潜力，为开发丰富和可持续的固态电解质开辟了一条道路。该论文以 Molecular engineering of renewable cellulose biopolymers for solid-state battery electrolytes为题，发表在Nature Sustainability上。

【创新点】

1、绿色转化过程：

研究者们开发了一种绿色、可扩展的方法，将纤维素转化为具有1.09×10^-3 S cm^-1的锂离子导电性的强韧电解质，同时保持了0.81的锂离子迁移数和12 MPa的机械强度。

2、分子工程设计：

通过酯化反应，用邻苯二甲酸酐替换纤维素中的羟基，形成纤维素邻苯二甲酸酯（CP），这一结构不仅优化了与锂离子的多氧交互作用，还增强了分子间的氢键，为电解质带来了出色的机械性能。

3、商业化兼容性：

CP基电解质薄膜与大多数商业正极材料兼容，且在超过1000个循环后，显示出比传统锂离子电池更好的性能和稳定性。

【图文介绍】

图 1：制备CP-SSE的工艺流程示意图

该图展示了将天然纤维素通过均相酯化反应转化为纤维素邻苯二甲酸酯（CP）的过程，随后通过溶液浇铸和塑化处理制备出基于CP的固态电解质薄膜（CP-SSE），最终组装成具有高机械强度和快速锂离子迁移的固态电池。

图 2：纤维素衍生物和固态电解质的表征

该图集包含了CP-SSE薄膜的光学照片、分子结构、1H核磁共振（NMR）谱图、X射线衍射（XRD）图谱、扫描电子显微镜（SEM）图像、应力-应变曲线、傅里叶变换红外光谱（FTIR）谱图、热重分析（TGA）曲线和线性扫描伏安（LSV）测试结果，全面展示了CP-SSE薄膜的物理和化学特性。

图 3：纤维素衍生物基固态电解质的电化学分析

该图集通过7Li魔角旋转（MAS）核磁共振（NMR）谱图、拉曼光谱、FTIR谱图、电子密度表面势（ESP）分布图和锂离子传输数的测量，揭示了CP-SSE中锂离子的高导电性和快速迁移特性。

图 4：25℃下操作的锂对称电池

该图展示了使用CP-SSE的对称锂电池在不同电流密度下的锂电镀/剥离行为、库仑效率、高电流条件下的稳定性测试以及循环后锂金属阳极的表面形貌，证实了CP-SSE在促进均匀锂沉积/剥离和抑制锂枝晶形成方面的优势。

图 5：25℃下的全电池性能

该图集展示了装配有CP-SSE的全电池在不同电流密度下的充放电曲线、长期循环性能以及在高正极材料载量和不同条件下的柔性固态电池性能测试，证明了CP-SSE在全电池应用中的卓越性能和商业化潜力。

文献来源：https://doi.org/10.1038/s41893-024-01414-7