科学家利用木材打造出具有创纪录导电性的电池电解质

当下的锂电池通常使用的技术都是利用液体电解质在两个电极之间携带离子,但关注固体替代品的科学家们看到了一些令人兴奋的机会。其中,一项新研究的研究人员们使用从木材中提取的纤维素作为这些固体电解质之一的基础。据了解,这种电解质薄如纸,可以弯曲和屈曲进而可以吸收电池循环的压力。

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人们现在使用的锂电池的电解质的一个缺点是,它们含有挥发性液体,如果设备短路就会有起火的危险并能促进形成称为树枝状的触角状生长进而影响性能。与此同时,固体电解质可以由不易燃材料制成,这样可以让设备不容易形成树枝状物并可能围绕电池结构开辟全新的可能性。

这些可能性之一跟阳极有关,即两个电极之一,在今天的电池中,阳极是由石墨和铜的混合物制成。一些科学家认为,固体电解质是使电池用纯金属锂制成的阳极工作的关键垫脚石,这可能有助于打破能量密度瓶颈并使电动汽车和飞机在不充电的情况下行驶得更远。

迄今为止开发的许多固体电解质都是由陶瓷材料制成,这些材料在传导离子方面非常有效,但由于其脆性,在充电和放电期间并不能很好地承受压力。来自布朗大学和马里兰大学的科学家们在寻求一种替代方法并使用木材中的纤维素纳米纤维作为他们的起点。

这些源自木材的聚合物管通过跟铜的结合形成了一种固体离子导体,其导电性跟陶瓷相似,但却比其他聚合物离子导体好10至100倍。据研究小组介绍称,这是因为铜的加入在纤维素聚合物链之间形成了“离子高速公路”的空间,这使得锂离子能以创纪录的效率移动。

研究作者Liangbing Hu说道:“通过将铜跟一维纤维素纳米纤维结合在一起,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达到了创纪录的高离子传导率。”

并且由于这种材料薄如纸且有弹性,科学家们认为它将能更好地承受电池循环的压力。他们还指出,它具有电化学稳定性,可以容纳锂金属阳极和高电压阴极,或可以作为一种粘合剂材料在高密度电池中包裹超厚阴极。

研究报告的作者Yue Qi说道:“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使离子导电率达到创纪录的高点。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。”

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