瑞典皇家理工学院AFM：纳米纤维素动态网络提高凝胶电解质电导率和力学性能

高能量密度锂离子电池对电解质的性能和安全提出了更严格的要求。聚氧乙烯（PEO或PEG）基凝胶电解质柔韧性好、轻质，可以在电极表面形成良好的界面，但是常温下锂离子电导率较低，限制了电池性能，而改善其电导率的手段又往往会导致力学性能的下降。

近期，瑞典皇家理工学院纤维技术系Lars Wågberg教授团队报道了一种以纳米纤维素动态网络构筑PEG凝胶电解质的新途径，同步提高了凝胶电解质的电导率和力学性能。文章以“Dynamic Networks of Cellulose Nanofibrils Enable Highly Conductive and Strong Polymer Gel Electrolytes for Lithium-Ion Batteries”为题发表在《Advanced Functional Materials》杂志上，第一作者为王真博士。

羧甲基化纤维素纳米纤维（CNF）直径约2-4nm，长度可达微米尺度，这种超高长径比使其能够以极低的含量有效地构筑凝胶网络。在渗透压和物理缠结网络的共同作用下，改变盐溶液的浓度可实现对CNF湿滤饼溶胀平衡的调控。1mmol/L的氯化钠溶液可以充分溶胀CNF，使其纳米级孔隙结构充分展开。

低分子量PEG电解质虽然电导率比高分子量PEO高一个数量级，但常温下呈液态，无法单独做为隔膜材料使用。通过溶液置换，低分子量PEG电解质可以渗入CNF的纳米孔内。CNF的超细直径为PEG电解质提供了丰富的固液界面，所得到的凝胶电解质复合物呈均相，其CNF的含量低至0.9%，以最少的“非活性物质”含量最大程度地保留了PEG电解质的离子导电能力。CNF/PEG复合电解质的室温电导率为0.61mS/cm，比PEG电解质本身高二倍，是所有纤维素增强的聚合物凝胶电解质的最高值。其力学强度为0.75MPa，综合性能优异。为进一步阐释CNF对PEG电解质电导率增强的机理，瑞典林雪平大学Igor Zozoulenko教授团队对这一体系进行了分子动力学模拟，发现CNF表面的紧密结合水对锂离子的扩散有明显的辅助作用。

CNF/PEG复合电解质可以独立作为电池隔膜使用，并表现出优异的电化学特性。在60°C，对称锂金属电池在0.1mA/cm2的电流密度下可以承受至少500次剥离、沉积循环，并保持极化稳定；磷酸铁锂半电池以0.18mA/cm2的电流密度充放电，循环300次后仍可保持94%的容量，平均库伦效率高达99.72%。室温下，磷酸铁锂半电池也展示了稳定的循环寿命，并在穿刺、切割、燃烧等破坏性实验中表现出良好的安全性。

这一工作为高长径比一维纳米材料在高性能锂离子电池中的应用提供了新的思路。

图：（A）CNF/PEG凝胶电解质的制备，（B）通过盐浓度调控CNF孔隙结构，（C）由1mmol/L氯化钠溶液溶胀制备的CNF/PEG凝胶电解质的原子力显微镜高度图和二维广角X射线衍射图案，（D）CNF/PEG凝胶电解质的电导率、力学性能与文献对比，（E）CNF表面的紧密结合水对锂离子扩散系数的影响，（F）不同温度下磷酸铁锂半电池的充放电容量，（G）磷酸铁锂半电池的循环稳定性，（H）CNF/PEG凝胶电解质的耐火演示。

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