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  高能量密度鋰離子電池對電解質的性能和安全提出了更嚴格的要求。聚氧乙烯（PEO或PEG）基凝膠電解質柔韌性好、輕質，可以在電極表面形成良好的界面，但是常溫下鋰離子電導率較低，限制了電池性能，而改善其電導率的手段又往往會導致力學性能的下降。

  近期，瑞典皇家理工學院纖維技術系Lars Wågberg教授團隊報道了一種以納米纖維素動態網絡構筑PEG凝膠電解質的新途徑，同步提高了凝膠電解質的電導率和力學性能。文章以“Dynamic Networks of Cellulose Nanofibrils Enable Highly Conductive and Strong Polymer Gel Electrolytes for Lithium-Ion Batteries”為題發表在《Advanced Functional Materials》雜志上，第一作者為王真博士。

  羧甲基化纖維素納米纖維（CNF）直徑約2-4nm，長度可達微米尺度，這種超高長徑比使其能夠以極低的含量有效地構筑凝膠網絡。在滲透壓和物理纏結網絡的共同作用下，改變鹽溶液的濃度可實現對CNF濕濾餅溶脹平衡的調控。1mmol/L的氯化鈉溶液可以充分溶脹CNF，使其納米級孔隙結構充分展開。

  低分子量PEG電解質雖然電導率比高分子量PEO高一個數量級，但常溫下呈液態，無法單獨做為隔膜材料使用。通過溶液置換，低分子量PEG電解質可以滲入CNF的納米孔內。CNF的超細直徑為PEG電解質提供了豐富的固液界面，所得到的凝膠電解質復合物呈均相，其CNF的含量低至0.9%，以最少的“非活性物質”含量最大程度地保留了PEG電解質的離子導電能力。CNF/PEG復合電解質的室溫電導率為0.61mS/cm，比PEG電解質本身高二倍，是所有纖維素增強的聚合物凝膠電解質的最高值。其力學強度為0.75MPa，綜合性能優異。為進一步闡釋CNF對PEG電解質電導率增強的機理，瑞典林雪平大學Igor Zozoulenko教授團隊對這一體系進行了分子動力學模擬，發現CNF表面的緊密結合水對鋰離子的擴散有明顯的輔助作用。

  CNF/PEG復合電解質可以獨立作為電池隔膜使用，并表現出優異的電化學特性。在60°C，對稱鋰金屬電池在0.1mA/cm²的電流密度下可以承受至少500次剝離、沉積循環，并保持極化穩定；磷酸鐵鋰半電池以0.18mA/cm²的電流密度充放電，循環300次后仍可保持94%的容量，平均庫倫效率高達99.72%。室溫下，磷酸鐵鋰半電池也展示了穩定的循環壽命，并在穿刺、切割、燃燒等破壞性實驗中表現出良好的安全性。

  文章鏈接：

  Wang, Z., Heasman, P., Rostami, J., Benselfelt, T., Linares, M., Li, H., Iakunkov, A., Sellman, F., ?stmans, R., Hamedi, M. M., Zozoulenko, I., W?gberg, L.

  Dynamic Networks of Cellulose Nanofibrils Enable Highly Conductive and Strong Polymer Gel Electrolytes for Lithium-Ion Batteries.

  Adv. Funct. Mater. 2023, 2212806.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202212806