據外媒報道，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前鋰離子電池中普遍使用的液體。布朗大學（Brown University）和馬里蘭大學（University of Maryland）的研究團隊利用木材，開發了一種可用于固態電池的新材料。

（圖片來源：布朗大學）

 

該團隊展示了一種固態離子導體，將銅與纖維素納米原纖維結合在一起。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，其離子導電率約為其他聚合物離子導體的10-100倍，可用作固態電池電解質，或者全固態電池正極的離子導電粘合劑。

 

馬里蘭大學材料科學和工程系的Liangbing Hu教授表示：“通過將銅與一維纖維素納米原纖維結合在一起，我們發現，正常的離子絕緣纖維素能夠在聚合物鏈內更快地傳輸鋰離子。事實上，我們發現，在所有固態聚合物電解質中，這種離子導體的高離子導電率均能達到創紀錄水平。”

 

目前，鋰離子電池在手機、汽車等領域得到廣泛應用，其電解質由溶解在液體有機溶劑中的鋰鹽制成。通過電解液在電池的正負極之間傳導鋰離子，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，從而導致短路。此外，液體電解質由易燃和有毒化學品制成，可能發生火災。

 

固態電解質具有防止枝晶穿透的潛力，并由非易燃材料制成。調查顯示，目前使用的固態電解質大多為陶瓷材料，具有良好離子傳導能力。但是，這些材料大多厚、硬且脆。制造過程及充放電過程中產生的應力能使其出現裂縫和斷裂。

 

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，其離子導電性可以媲美陶瓷材料。布朗大學的高級副研究員Qi和Qisheng Wu對這種銅－纖維素材料的微結構進行了計算機模擬，以發現其具有良好離子導電性的原因。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。間距擴大相當于產生了離子高速公路，使鋰離子可以相對不受阻礙地移動。“鋰離子通過在非有機陶瓷中發現的典型機制，在這種有機固態電解質中移動，從而實現創紀錄水平的高離子導電率。使用來自大自然的材料，有助于減少制造電池的對環境造成的整體影響。”

 

除了可以作為固態電解質，這種新材料還可以作為正極粘合劑，用于固態電池。為了匹配負極的容量，正極需要更厚。然而，這種厚度會影響離子導電性，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電粘合劑中。該團隊使用這種新材料作為粘合劑，并表示這是曾經報道過的最厚的功能性正極之一。

 

研究人員希望，這種新材料能夠將固態電池技術進一步推向大眾市場。