尽管固态锂（Li）金属电池具有高能量密度和高安全性，但现有的固态离子导体仍然无法满足电池严格的循环要求。其中，无机离子导体具有快速离子传输的性质，但它们的刚性和脆性阻碍了与电极的良好界面接触。相反，与锂金属负极界面稳定的聚合物离子导体通常提供更好的界面相容性和机械耐受性，但由于离子传输与聚合物链运动的耦合，通常离子导电性较差。近日，美国马里兰大学胡良兵，布朗大学齐月等人通过分子通道工程实现了高性能固态聚合物离子导体的普适性制备策略。通过将铜离子 (Cu2+ ) 与一维纤维素纳米纤丝的配位，使通常离子绝缘的纤维素内分子通道开放，从而能够使Li+沿着聚合物链快速传输。同时，除了高Li+电导率（室温下沿分子链方向的电导率为1.5×10-3 S cm-1）外，基于Cu2+配位纤维素离子导体还表现出高Li+迁移数（0.78，通常为0.2-0.5）和宽的电化学稳定性窗口（0-4.5V），且可以同时兼容锂金属负极和高压正极。此外，这种一维离子导体还允许离子在厚LiFePO4固体正极中渗透，用于组装具有高能量密度的电池。更加重要的是，已经验证了这种分子通道工程方法与其他聚合物和阳离子的通用性，实现了类似的高电导率，其意义可能超越安全，高性能的固态电池。相关论文以题为“Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-statevbatteries”于10月21日发表在Nature。https://www.nature.com/articles/s41586-021-03885-6
具体而言，本文探索了聚合物离子导体的设计策略，该策略基于扩展分子间聚合物结构，并将Li+传输与聚合物链段弛豫解耦，从而导致高离子电导率。首先使用纤维素纳米纤维（CNF，作为单独的构建或作为纸张或脱木素木材形式的一个组成部分）来演示这种策略。CNF可从各种生物质来源（例如木材）中大量获得，并具有排列整齐的一维 (1D) 层次结构，其中富含重复脱水葡萄糖单元 (AGU) 形式的含氧极性官能团（例如羟基）组成纤维素分子链（图1a）。这种极性官能团可以溶解Li+并协助其运动。然而，纤维素分子链之间的狭窄间距自然不允许Li+掺入。本文的关键在于：Cu2+与CNF（Cu-CNF）的配位使电解质能够将聚合物链之间的间距扩大到能够使Li+快速插入和传输，依次来改变纤维素的晶体结构（图1a）。因此，在这样的一维传导通道中，纤维素中的大量含氧官能团，以及少量的结合水，以一种与聚合物的分段运动分离的方式协助Li+的运动。材料制备：使用简单的离子配位和溶剂交换工艺制造了固态Li-Cu-CNF离子导体（图2a）。首先，将含CNF的材料（例如CNF悬浮液、纤维素纸或来自木材的对齐CNF）浸入 Cu2+-饱和碱性溶液（20% NaOH）中，其中Cu2+逐渐与纤维素分子链配位，从而形成充满NaOH溶液的蓝色Cu-CNF-NaOH复合物。然后，用水洗掉Cu-CNF-NaOH中的NaOH，用二甲基甲酰胺（DMF）代替水。最后，在真空下蒸发DMF，得到了固态Cu-CNF材料。然后浸泡在非水系溶剂-由LiPF6组成的电解质中，Li+插入Cu-CNF中，然后蒸发溶剂，从而得到Li-Cu-CNF离子导体。（文：Doublenine）
图1.Li-Cu-CNF固态离子导体的结构和离子传输性能
图2.Li-Cu-CNF合成过程中的结构演变
图3.Li -Cu-CNF中的Li+电导率和传输机制
图4.基于Li-Cu-CNF离子导体的固态锂金属电池
