1. 研究背景
固態(tài)鋰金屬電池因其高能量密度和安全性被視為下一代儲能系統(tǒng)的理想選擇。然而，現(xiàn)有的固態(tài)離子導體無法滿足電池操作的嚴格要求。無機離子導體雖然具有高離子導電性，但其剛性和脆性導致與電極的界面接觸不良；而聚合物離子導體雖然具有較好的界面兼容性和機械耐受性，但其離子導電性通常較低，且鋰離子傳輸與聚合物鏈的運動高度耦合。本文提出了一種通過分子通道工程實現(xiàn)高性能固態(tài)聚合物離子導體的通用策略，通過銅離子（Cu2?）與一維纖維素納米纖維（CNF）的配位，成功打開了纖維素分子通道，實現(xiàn)了鋰離子的快速傳輸，為固態(tài)電池的發(fā)展提供了新的解決方案。
2. 本文要點
1. 分子通道工程。通過銅離子與纖維素納米纖維的配位，打開了纖維素分子通道，顯著提高了鋰離子的傳輸效率，室溫下沿分子鏈方向的鋰離子電導率高達1.5 × 10?3 S/cm。
2. 離子傳輸機制。在 Li-Cu-CNF 分子通道中，纖維素分子鏈上存在大量的羥基（-OH）、羧酸根（-COO?）、烷氧基（-RO?）和醚基（-EO）等含氧官能團，形成大量Li-O 配位。當Li+移動時，可以只從一兩個鍵合氧原子上解離，同時仍與其它配位，從而產(chǎn)生較低的遷移能壘。
3.關鍵性能突破。Li-Cu-CNF擁有較高的鋰離子遷移數(shù)，達到0.78，在離子傳輸中具有較高的效率；具有良好的柔韌性和機械強度，能夠與電極材料形成良好的界面接觸；其電化學穩(wěn)定窗口寬達0–4.5 V，能夠兼容鋰金屬陽極和高壓陰極材料。
圖1. 纖維素納米纖維（CNF）的層次結構示意圖及其離子傳輸性能
圖2. Li-Cu-CNF合成過程中的結構演變
圖3. Li-Cu-CNF中Li+傳導性和傳輸機制
圖4. Li-Cu-CNF在固態(tài)電池中的應用
3. 研究結論
本文通過銅離子配位纖維素納米纖維，成功開發(fā)了一種高性能的固態(tài)離子導體（Li-Cu-CNF），其室溫下的鋰離子電導率高達1.5 × 10?3 S/cm，轉移數(shù)為0.78，電化學穩(wěn)定性窗口為0-4.5 V。該離子導體通過分子通道工程實現(xiàn)了鋰離子傳輸與聚合物鏈運動的解耦，顯著提高了離子導電性。此外，Li-Cu-CNF不僅可以用作薄而致密的固態(tài)電解質，還能作為厚電極的離子導電粘合劑，顯著提升了固態(tài)電池的能量密度。這一設計策略不僅適用于鋰離子導體，還可擴展到其他聚合物和陽離子體系，為高性能固態(tài)離子導體的開發(fā)提供了新的思路。
4. 文章信息
Chunpeng Yang, Qisheng Wu, Weigi Xie, Xin Zhang, Alexandra Brozena, Jin Zheng, Mounesha N. Garaga, Byung Hee Ko, Yimin Mao, Shuaiming He, Yue Gao, Pengbo Wang, Madhusudan Tyagi, Feng Jiao, Robert Briber, Paul Albertus, Chunsheng Wang, Steven Greenbaum, Yan-Yan Hu, Akira Isogai, Martin Winter, Kang Xu, Yue Qi* & Liangbing Hu*. Nature, 598, 590–596 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03885-6
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