據(jù)外媒報道，為了讓電池能夠提供更多電力，更加安全地運行，研究人員致力于用固體材料取代當(dāng)前鋰離子電池中普遍使用的液體。布朗大學(xué)（Brown University）和馬里蘭大學(xué)（University of Maryland）的研究團(tuán)隊利用木材，開發(fā)了一種可用于固態(tài)電池的新材料。

（圖片來源：布朗大學(xué)）

 

該團(tuán)隊展示了一種固態(tài)離子導(dǎo)體，將銅與纖維素納米原纖維結(jié)合在一起。其中的纖維素納米原纖維是源自木材的聚合物管。研究人員表示，這種材料像紙一樣薄，其離子導(dǎo)電率約為其他聚合物離子導(dǎo)體的10-100倍，可用作固態(tài)電池電解質(zhì)，或者全固態(tài)電池正極的離子導(dǎo)電粘合劑。

 

馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)和工程系的Liangbing Hu教授表示：“通過將銅與一維纖維素納米原纖維結(jié)合在一起，我們發(fā)現(xiàn)，正常的離子絕緣纖維素能夠在聚合物鏈內(nèi)更快地傳輸鋰離子。事實上，我們發(fā)現(xiàn)，在所有固態(tài)聚合物電解質(zhì)中，這種離子導(dǎo)體的高離子導(dǎo)電率均能達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄水平。”

 

目前，鋰離子電池在手機(jī)、汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其電解質(zhì)由溶解在液體有機(jī)溶劑中的鋰鹽制成。通過電解液在電池的正負(fù)極之間傳導(dǎo)鋰離子，能起到良好的效果，但也有一些缺點。比如，在高電流下會形成鋰枝晶，從而導(dǎo)致短路。此外，液體電解質(zhì)由易燃和有毒化學(xué)品制成，可能發(fā)生火災(zāi)。

 

固態(tài)電解質(zhì)具有防止枝晶穿透的潛力，并由非易燃材料制成。調(diào)查顯示，目前使用的固態(tài)電解質(zhì)大多為陶瓷材料，具有良好離子傳導(dǎo)能力。但是，這些材料大多厚、硬且脆。制造過程及充放電過程中產(chǎn)生的應(yīng)力能使其出現(xiàn)裂縫和斷裂。

 

然而，本項研究推出的材料薄且有彈性，幾乎像一張紙一樣。而且，其離子導(dǎo)電性可以媲美陶瓷材料。布朗大學(xué)的高級副研究員Qi和Qisheng Wu對這種銅－纖維素材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算機(jī)模擬，以發(fā)現(xiàn)其具有良好離子導(dǎo)電性的原因。建模研究顯示，銅使纖維素聚合物鏈之間的空間增大，這通常存在于緊密排列的束中。間距擴(kuò)大相當(dāng)于產(chǎn)生了離子高速公路，使鋰離子可以相對不受阻礙地移動。“鋰離子通過在非有機(jī)陶瓷中發(fā)現(xiàn)的典型機(jī)制，在這種有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)中移動，從而實現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄水平的高離子導(dǎo)電率。使用來自大自然的材料，有助于減少制造電池的對環(huán)境造成的整體影響。”

 

除了可以作為固態(tài)電解質(zhì)，這種新材料還可以作為正極粘合劑，用于固態(tài)電池。為了匹配負(fù)極的容量，正極需要更厚。然而，這種厚度會影響離子導(dǎo)電性，使效率降低。為了讓更厚的正極工作，需要將其封裝在離子導(dǎo)電粘合劑中。該團(tuán)隊使用這種新材料作為粘合劑，并表示這是曾經(jīng)報道過的最厚的功能性正極之一。

 

研究人員希望，這種新材料能夠?qū)⒐虘B(tài)電池技術(shù)進(jìn)一步推向大眾市場。