Credit:CC0 Public Domain为了追求提供更大功率和更安全运行的电池，研究人员正在努力用固体材料取代当今锂离子电池中常用的液体。现在，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，这种材料来自一种不太可能的来源:树木。在发表在《自然》杂志上的研究中，该团队展示了一种固体离子导体，它将铜与纤维素纳米纤维——源自木材的聚合物管——结合在一起。研究人员说，这种纸一样薄的材料h的离子导电性比其他聚合物离子导体好10到100倍。它既可以用作固体电池电解质，也可以用作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的教授胡说:“通过将铜与一维纤维素纳米纤维结合，我们证明了通常离子绝缘的纤维素在聚合物链中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实现了创纪录的高离子电导率。”
这项工作是胡的实验室和布朗大学工程学院教授的实验室合作完成的。
如今的锂离子电池广泛应用于从手机到汽车的各个领域，其电解质由溶解在液态有机溶剂中的锂盐制成。电解液的作用是在电池的阴极和阳极之间传导锂离子。液体电解质效果很好，但也有一些缺点。在高电流下，被称为枝晶的锂金属细丝会在电解液中形成，导致短路。此外，液体电解质由易燃和有毒的化学物质制成，会着火。
固体电解质具有防止枝晶渗透的潜力，可以由不可燃材料制成。到目前为止研究的大多数固体电解质都是陶瓷材料，这种材料在传导离子方面很出色，但它们也很厚、坚硬且易碎。制造过程中的应力以及充电和放电会导致裂纹和断裂。
然而，这项研究中介绍的材料薄而柔韧，几乎像一张纸。其离子电导率与陶瓷相当。
布朗大学的高级研究员齐和吴启胜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很好地传导离子。模型研究表明，铜增加了纤维素聚合物链之间的空间，这通常存在于紧密堆积的束中。扩大的间距创造了相当于离子高速公路的数量，锂离子可以相对不受阻碍地通过。
齐说:“锂离子在这种有机固体电解质中通过我们通常在无机陶瓷中发现的机制移动，从而实现了创纪录的高离子电导率。“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，这种新材料还可以作为固态电池的阴极粘合剂。为了匹配阳极的容量，阴极需要足够厚。然而，这种厚度会损害离子传导，降低效率。为了使较厚的阴极工作，它们需要被包裹在离子传导粘合剂中。使用他们的新材料作为粘合剂，该团队展示了他们认为有史以来最厚的功能阴极之一。
研究人员希望这种新材料可以成为将固态电池技术推向大众市场的一步。
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