儘管固態鋰（Li）金屬電池具有高能量密度和高安全性，但現有的固態離子導體仍然無法滿足電池嚴格的迴圈要求。其中，無機離子導體具有快速離子傳輸的性質，但它們的剛性和脆性阻礙了與電極的良好介面接觸。相反，與鋰金屬負極介面穩定的聚合物離子導體通常提供更好的介面相容性和機械耐受性，但由於離子傳輸與聚合物鏈運動的耦合，通常離子導電性較差。
近日，美國馬里蘭大學胡良兵，布朗大學齊月等人透過分子通道工程實現了高效能固態聚合物離子導體的普適性製備策略。透過將銅離子 (Cu2+ ) 與一維纖維素奈米纖絲的配位，使通常離子絕緣的纖維素內分子通道開放，從而能夠使Li+沿著聚合物鏈快速傳輸。同時，除了高Li+電導率（室溫下沿分子鏈方向的電導率為1.5×10-3 S cm-1）外，基於Cu2+配位纖維素離子導體還表現出高Li+遷移數（0.78，通常為0.2-0.5）和寬的電化學穩定性視窗（0-4.5V），且可以同時相容鋰金屬負極和高壓正極。此外，這種一維離子導體還允許離子在厚LiFePO4固體正極中滲透，用於組裝具有高能量密度的電池。更加重要的是，已經驗證了這種分子通道工程方法與其他聚合物和陽離子的通用性，實現了類似的高電導率，其意義可能超越安全，高效能的固態電池。相關論文以題為“Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-statevbatteries”於10月21日發表在Nature。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03885-6
具體而言，本文探索了聚合物離子導體的設計策略，該策略基於擴充套件分子間聚合物結構，並將Li+傳輸與聚合物鏈段弛豫解耦，從而導致高離子電導率。首先使用纖維素奈米纖維（CNF，作為單獨的構建或作為紙張或脫木素木材形式的一個組成部分）來演示這種策略。CNF可從各種生物質來源（例如木材）中大量獲得，並具有排列整齊的一維 (1D) 層次結構，其中富含重複脫水葡萄糖單元 (AGU) 形式的含氧極性官能團（例如羥基）組成纖維素分子鏈（圖1a）。這種極性官能團可以溶解Li+並協助其運動。然而，纖維素分子鏈之間的狹窄間距自然不允許Li+摻入。本文的關鍵在於：Cu2+與CNF（Cu-CNF）的配位使電解質能夠將聚合物鏈之間的間距擴大到能夠使Li+快速插入和傳輸，依次來改變纖維素的晶體結構（圖1a）。因此，在這樣的一維傳導通道中，纖維素中的大量含氧官能團，以及少量的結合水，以一種與聚合物的分段運動分離的方式協助Li+的運動。
材料製備：使用簡單的離子配位和溶劑交換工藝製造了固態Li-Cu-CNF離子導體（圖2a）。首先，將含CNF的材料（例如CNF懸浮液、纖維素紙或來自木材的對齊CNF）浸入 Cu2+-飽和鹼性溶液（20% NaOH）中，其中Cu2+逐漸與纖維素分子鏈配位，從而形成充滿NaOH溶液的藍色Cu-CNF-NaOH複合物。然後，用水洗掉Cu-CNF-NaOH中的NaOH，用二甲基甲醯胺（DMF）代替水。最後，在真空下蒸發DMF，得到了固態Cu-CNF材料。然後浸泡在非水系溶劑-由LiPF6組成的電解質中，Li+插入Cu-CNF中，然後蒸發溶劑，從而得到Li-Cu-CNF離子導體。（文：Doublenine）
圖1.Li-Cu-CNF固態離子導體的結構和離子傳輸效能
圖2.Li-Cu-CNF合成過程中的結構演變
圖3.Li -Cu-CNF中的Li+電導率和傳輸機制
圖4.基於Li-Cu-CNF離子導體的固態鋰金屬電池
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