崔立峰ESM：用于增强固体聚合物电解质中Li+导电性的柔性纳米纤维素膜

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2020-03-20

由于其柔性，不泄漏和不易燃的特性，长期以来，固体聚合物电解质（SPE）一直被认为是锂离子电池中液态电解质的有希望的替代品。近年来，一维纳米纤维/纳米线已被添加到SPE中，其连续的网络结构不仅可以改善SPE机械性能，而且可以提高离子电导率。尽管长期以来一直在为聚合物增强中寻找纤维素纳米原纤维（CNF），但从未研究过其在SPE中的作用。近日，东莞理工学院崔立峰团队发现CNF可用于制造聚环氧乙烷（PEO）SPE。由于表面电荷密度的增大， 增强了SPE的离子电导率，可以达到3.1×10^-5  S cm^-1（室温），其表面电荷密度为1.7 mmol/g。

文章要点：

1）通过两步TEMPO氧化和高压均质处理，从漂白的针叶牛皮纸浆中分离出纤维素纳米原纤维。TEMPO氧化将纤维素基本原纤维表面上的伯羟基转化为羧酸盐，这可以破坏原纤维间的氢键并在高压均质化过程中引入静电排斥力，为纳米原纤维去除纤颤，从而产生200–500 nm长和2– 6纳米宽的分离CNF。

2）通过热重分析（TGA）研究的PEO和CNF/PEO膜的热稳定性表明，两种膜在最高400°C的温度下都相对稳定。在真空辅助下将PEO/LiTFSI渗透到CNF气凝胶的网络结构中后，将溶剂蒸发并将所得膜加热到65°C，以使聚合物熔融并改善CNF和PEO链之间的界面相互作用。CNF/PEO SPE可以独立放置并弯曲而不破裂，这表明它具有良好的柔韧性和良好的机械性能。相比之下，PEO SPE不能形成独立的膜并且不能从模具中分离，几乎没有机械性能。用SEM观察了CNF / PEO SPE的表面形态，表明多孔网络结构被PEO完全填充。另外，波纹状的表面纹理表明PEO可以适应各种构象，从而在软固体电解质和刚性电极之间提供更好的界面相容性。

3）电化学阻抗谱（EIS）用于表征CNF/PEO SPE 的Li⁺电导率，结果表明，具有最高表面电荷密度的CNF表现出最高的离子电导率。室温下CNF/PEO SPE的最大离子电导率为3.1×10^-5  S cm^-1，比纯PEO高1-2个数量级。此外，CNF/PEO SPE在0.2 mA cm^-2甚至超过0.5 mA cm^-2的更高电流密度下，在超过280小时的时间内CNF/PEO SPE也表现出出色的电化学稳定性。在反复的剥离/镀覆过程中，稳定的超电势揭示了CNF/PEO SPE的电化学稳定性以及防止Li枝晶刺穿的机械强度。

总体而言，该研究表明带负电荷的CNF可以增强SPE的离子电导率，并且制成的SPE具有电化学稳定性，机械强度，热稳定性以及柔性等特点，可以预期将其用于所有固态设备的柔性电解质。

Hengfei Qin, et al, Flexible nanocellulose enhanced Li+ conducting membrane for solid polymer electrolyte, Energy Storage Materials,

2020,

DOI: 10.1016/j.ensm.2020.03.019.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829720301008