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  鋰二次電池在現(xiàn)代社會中發(fā)揮著極其重要的作用。備受關(guān)注的鋰金屬電池中因鋰離子沉積不均勻造成的易短路、壽命短是世界性難題。高能量密度的鋰金屬電池會由于鋰離子濃度不均勻形成“死”鋰和鋰枝晶，從而導(dǎo)致鋰金屬電池的使用壽命縮短。理想的固態(tài)電解質(zhì)界面膜可以通過空間均勻化鋰離子通量和促進(jìn)鋰離子快速遷移來實現(xiàn)均勻的鋰離子沉積，從而抑制枝晶的形成，使鋰金屬負(fù)極具備優(yōu)異的電化學(xué)性能。但是，大多數(shù)的固態(tài)電解質(zhì)界面膜材料需要昂貴的前驅(qū)體和復(fù)雜的合成工藝，從而限制了它們在電池產(chǎn)品中的實際應(yīng)用。如今，大自然給這個難題提供了解決方案。

  自然界中，樹木依靠紋孔膜可對整個樹干內(nèi)礦物質(zhì)離子的交換進(jìn)行調(diào)控，從而保證營養(yǎng)物質(zhì)的連續(xù)傳遞。受紋孔膜輸運調(diào)控機制和天然結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究人員提出了天然木材納米結(jié)構(gòu)用于優(yōu)化鋰金屬負(fù)極離子分布和沉積行為的創(chuàng)新思路。中國林科院木材工業(yè)研究所呂建雄研究員團(tuán)隊聯(lián)合浙江工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陶新永教授團(tuán)隊以及佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與分子生物工程學(xué)院Yulin Deng教授團(tuán)隊集結(jié)東北林業(yè)大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)以及中北大學(xué)的不同學(xué)科研究人員，首次實現(xiàn)了木材次生細(xì)胞壁中聚集體薄層（lamella）的精準(zhǔn)剝離；所分離的聚集體薄層可作為固態(tài)電解質(zhì)界面膜解決鋰離子濃度調(diào)控難題，實現(xiàn)了鋰金屬電池性能的優(yōu)化，突破了制約鋰金屬電池壽命的技術(shù)瓶頸，使電池壽命增加75%以上。這項成果如果形成產(chǎn)業(yè)化，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。該研究以題為“Natural Wood Structure Inspires Practical Lithium-Metal Batteries”的論文發(fā)表在最新一期《ACS Energy letters》上。

圖1.木材紋孔膜結(jié)構(gòu)作為鋰金屬電池陽極固態(tài)電解質(zhì)界面膜的功能示意圖。

  該研究從人工林杉木細(xì)胞壁S2層中分離出聚集體薄層，其長度、寬度可達(dá)1000mm以上且厚度僅為10μm，其內(nèi)部為定向排列的纖維素分子，表面覆蓋有無定型木質(zhì)素和半纖維素。

圖2. 從木材次生壁中分離聚集體薄層的示意圖及其表征。

  由聚集體薄層制成的固態(tài)電解質(zhì)界面膜可以調(diào)節(jié)鋰金屬的沉積和溶解，從而獲得穩(wěn)定高效的鋰電池。以聚集體薄層保護(hù)的Li金屬電極制備鋰對稱電池，其電壓遲滯僅為32 mV，且表現(xiàn)出極佳的循環(huán)穩(wěn)定性。與商用LiFePO₄正極匹配時，全電池可提供約140 mAh·cm^-2的高比容量和99.6％的高平均CE，并穩(wěn)定循環(huán)800圈。此外，這種聚集體薄層固態(tài)電解質(zhì)界面膜在0.5 Ah級鋰金屬軟包電池中也取得了較好的效果（循環(huán)壽命增加75%以上），顯示出在電池商品中的巨大應(yīng)用潛力。

圖3.聚集體薄層調(diào)節(jié)鋰離子沉積示意圖及其表征。

圖4. 添加聚集體薄層前后的鋰金屬電池電化學(xué)性能表征。

  盧蕓副研究員指出，所分離的聚集體薄層不僅對木材細(xì)胞壁構(gòu)造研究有非常重要的科學(xué)意義，而且可作為一類新型功能材料加以高值利用。Yulin Deng教授指出，這種具有天然結(jié)構(gòu)的薄層可用來制備高強度的氣體與水蒸汽阻隔膜，也可用于制備各種納米層裝結(jié)構(gòu)的功能復(fù)合材料。陶新永教授指出，木材微納級結(jié)構(gòu)會在電化學(xué)儲能領(lǐng)域大有作為，今后生物質(zhì)作為先進(jìn)材料將不斷助力能源領(lǐng)域發(fā)展。呂建雄研究員指出，從木材中首次分離出聚集體薄層，為解析細(xì)胞壁次生壁的構(gòu)效關(guān)系及組分相互作用開辟了新途徑，這代表對木材細(xì)胞壁的研究進(jìn)入了超分子時代。

  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00629

延伸閱讀：

  近年來，盧蕓副研究員在木材細(xì)胞壁解譯及功能化機制研究方向發(fā)表系列論文，其中影響因子大于6的論文8篇，相關(guān)文章列表如下：

[1]. X. Jing*, Y. Lu*, et al. PAF-1@Cellulose Nanofibril Composite Aerogel for Highly- efficient Removal of Bisphenol A. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7: 157-164. IF=11.301

[2]. Y. Lu*, D. Yang*, et al. Nanoscale Engineering of Nitrogen-doped Carbon Nanofiber Aerogels, for Enhanced Lithium Ion Storage. Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5（18）: 8247-8254. IF=9.931

[3]. Y. Lu*, D. Yang*, et al. Research progress of nanocellulose for electrochemical energy storage: A review. Journal of Energy Chemistry. 2021, 51: 342–361，IF =9.317

[4]. Y. Lu, et al. Coherent-Interface-Assembled Ag2O-Anchored Nanofibrillated Cellulose Porous Aerogels for Radioactive Iodine Capture. ACS Applied Materials & Interfaces. 2016, 8(42):29179?29185. IF =7.504，

[5]. T. Rosenau*, J. Li*, Y. Lu*, et al. Mussel Adhesive-Inspired Design of Superhydrophobic Nanofibrillated Cellulose Aerogels for Oil/Water Separation [J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 6 (7): 9047-9055. IF=6.970

[6]. Y. Lu*, et al. An architectural exfoliated-graphene carbon aerogel with superhydrophobicity and efficient selectivity. Materials & Design, 2019, 184:108134. IF=6.289

[7]. Y. Lu, et al. High nitrogen doped carbon nanofiber aerogels for sodium ion batteries: synergy of vacancy defects to boost sodium ion storage. Applied Surface Science, 2019, 496. IF=6.182

[8]. Y. Lu, et al. Sustainable Route of Molecularly Thin Cellulose Nanoribbons and Derived Nitrogen-Doped Carbon Electrocatalysts [J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2017, 5(10): 8729-8737. IF=6.140