可再生纤维素的分子工程获得高性能固态电解质

　　

       

图 生物质基高性能固体电解质及器件

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22025507）等资助下，中国科学院化学研究所曹安民研究员等针对聚合物基固态电解质室温锂离子电导率低的挑战，提出基于纤维素骨架官能团设计调控锂离子传输，获得了具有高电导率的纤维素基电解质。研究成果以“可再生纤维素的分子工程获得高性能固态电解质（Molecular engineering of renewable cellulose biopolymers for solid-state battery electrolytes）”为题，于2024年9月3日发表在《自然?可持续发展》（Nature Sustainability）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01414-7。

　　全固态电池兼具高安全、高能量密度的优势。固态电解质是全固态电池的关键材料，聚合物基固体电解质在加工性能、界面接触性上具有显著优势，是全固态电池理想的电解质材料，但其室温下低的电导率（一般为10^-8 ~10^-5 S/cm）限制了其大规模应用。针对这些挑战，作者选择纤维素这一储量最丰富的生物聚合物作为基质，充分利用其富含羟基、易于进行衍生化改性的化学特性，通过均相酯化反应获得纤维素邻苯二甲酸酯的固体电解质（CP-SSE）。其中邻苯二甲酸官能团对羟基的取代拓宽了聚合物骨架链段的间距，而羧基配位作用能促进锂盐解离且为Li⁺的hopping传输提供关键位点，以此实现了Li⁺的快速传输，离子传导率为1.09×10^-3 S/cm；同时，邻苯二甲酸官能团在纤维素链间产生强氢键网络，使得柔性固体电解质膜具备高的机械强度（12 MPa），能成功匹配不同的商业化正极材料获得高性能全固态电池。