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  目前，使用固態或準固態電池代替液態電池是解決電動汽車等大型新能源裝置安全問題的有效途徑，但其仍存在諸多缺陷，嚴重阻礙了其進一步的實際應用，如機械強度低、離子電導率低、與電極之間的界面接觸問題等。纖維素基固體電解質作為其典型代表，具有低成本、高強度和可持續性等特點，它含有豐富的極性基團，如醚鍵，可以傳導鋰離子，并成為復合快速離子導體(如LATP)的潛在聚合物基質，在固態鋰金屬電池領域具有巨大的應用潛力。但纖維素分子間由于大量的氫鍵相互作用，纖維素分子排列緊密，導致鋰離子的運輸能力下降，嚴重限制了其進一步發展。

  近期，深圳大學化學與環境工程學院田雷/朱才鎮/徐堅團隊提出了一種離子導電分子接枝策略（圖1），該策略進一步打開纖維素之間的離子傳遞通道，提高電解質的離子傳導能力和改善鋰電池中電解質與正負極之間的界面性能，制備出具有高離子電導率和優異室溫容量保持性能的CLA-CN-LATP準固體復合電解質(QCE)。該研究制備的CLA-CN-LATP QCE在室溫下的離子電導率可達1.25×10^-3 S cm^-1。制備的Li |CLA-CN-LATP|Li電池在0.1 mA cm^-2電流密度下，可保持低極化電壓和1200 h以上的鋰剝離/鍍循環。此外，組裝的LFP |CLA-CN-LATP QCE| Li在0.5C和25℃條件下具有良好的循環穩定性，循環1500次，容量保持率高達92.1%。它為進一步打開纖維素分子鏈之間的離子傳遞通道，改善電解質與電極的界面性能提供了有效的策略。該工作以“Ion-Conducting Molecular-grafted Sustainable Cellulose Quasi-Solid Composite Electrolyte for High Stability Solid-state Lithium-Metal Batteries”為題發表在《Advanced Functional Materials》上，文章第一作者是深圳大學碩士研究生王瑞雪，通訊作者為深圳大學化學與環境工程學院田雷副教授。

圖1 離子導電分子接枝策略打開醋酸纖維素之間離子傳遞通道的設計理念。

圖2 CLA-CN-LATP QCE與CLA-LATP QCE的Li+傳輸性能對比。(a) CLA-CN-LATP QCE和(b) CLA-LATP QCE在不同溫度下的阻抗圖;(c) CLA-CN-LATP QCE和CLA-LATP QCE的離子電導率Arrhenius擬合圖;(d) Li|CLA-CN-LATP QCE|Li電池和(e) Li|CLA-LATP QCE|Li電池的極化曲線及初始和穩態阻抗圖;(f) CLA-CN-LATP QCE和CLA-LATP QCE的LSV測試曲線;(g) Li|CLA-CN-LATP QCE|Li電池和Li|CLA-LATP QCE|Li電池的Tafel圖;(h) CLA-CN-LATP QCE與其他材料的離子電導率對比圖。

  文獻詳情

  Ruixue Wang, Weiliang Dong, Zhennuo Song, Jiji Tan, Qiang Liu, Kexin Mu, Weijian Xu, Haiyu Huang, Zhili Zhang, Gang Yin, Caizhen Zhu, Jian Xu, and Lei Tian*, Ion-Conducting Molecular-Grafted Sustainable Cellulose Quasi-Solid Composite Electrolyte for High Stability Solid-State Lithium-Metal Batteries.Adv. Funct. Mater.2024, 2402461.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202402461

作者簡介及招聘

  田雷，深圳大學副教授，深圳市海外高層次人才。現任《高分子通報》編委。主要從事功能高分子材料合成方法學與應用研究，包括高分子設計合成、寬溫域高電導固態聚合物電解質、高安全高能量密度固態聚合物電池以及高強高韌軟材料的設計制備與應用等，主持或參與國家自然基金、省市重點項目等多項，在Advanced materials、Angew. Chem. Int. Ed.，Advanced functional materials、Macromolecules等國際知名期刊上發表學術論文多篇。