聚環(huán)氧乙烷(PEO)基聚合物固態(tài)電解質(zhì)以其高安全性和界面兼容性成為學(xué)術(shù)研究和商業(yè)化應(yīng)用的重要選擇。然而,PEO機械強度不足且導(dǎo)通Li+能力有限,這限制了其在柔性高能量密度電池中的應(yīng)用。為了解決上述問題,作者利用生物合成過程,借助外源材料雜化和碳源分子修飾等手段成功將g-C3N4 (CN)和氨基基團引入細菌纖維素(BC)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),澆筑LiTFSI/PEO (LP)后制備得到具有良好機械性能和高效離子傳導(dǎo)能力的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)(CSE)。
該項研究重點聚焦于含氮有機/無機材料在促進CSE Li+傳導(dǎo)方面的重要作用。利用氮元素與Li+間形成適宜的Lewis酸-堿相互作用,在分子鏈熱振動作用下促進Li+的快速傳輸,同時減弱Li+與TFSI-的絡(luò)合作用,從而促進電解質(zhì)離子傳導(dǎo)的選擇性;贐C生物合成構(gòu)筑固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)鋰雜化框架不僅保持了BC卓越的機械性能和三維空間結(jié)構(gòu),而且均勻引入了功能材料和表面基團,同時也為BC基先進能源材料的研發(fā)提供了嶄新的設(shè)計思路。該研究以“Advanced Composite Solid Electrolyte Architecture Constructed with Amino-Modified Cellulose and Carbon Nitride via Biosynthetic Avenue”為題名的論文發(fā)表在期刊《Advanced Functional Materials》(IF=19)上。 博士生尹紗和黃洋副教授為本文共同第一作者,肖惠寧教授和黃洋副教授為論文共同通訊作者。
【CN@B-NBC的形貌與組分】
圖1 CN@B-NBC的制備流程及形貌、組分表征
【LP/CN@B-NBC的形貌與機械性能】
圖3 LP/CN@B-NBC的力學(xué)性能
【LP/CN@B-NBC與鋰電極界面穩(wěn)定性表征】
圖5 循環(huán)后鋰電極和LP/CN@B-NBC CSE的表面形貌及化學(xué)成分分析
【LP/CN@B-NBC在Li|LiFePO4全固態(tài)電池的的應(yīng)用】
圖6 Li|LFP全電池的電化學(xué)性能測試
【氨基對鋰離子導(dǎo)通的可行性分析】
圖7 理論分析B-NBC骨架與Li+離子的相互作用
總結(jié):本研究通過自下而上的生物合成過程,成功制備了具有機械穩(wěn)定性和優(yōu)異Li+傳輸性能的LP/CN@B-NBC復(fù)合固態(tài)電解質(zhì),在提高LMBs的安全性、能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。 CN與B-NBC通過物理捆綁和氫鍵作用增強了電解質(zhì)的機械性能和靈活性,有效抵抗了鋰枝晶的穿刺。CN和-NH2的協(xié)同效應(yīng)促進了Li+的解離和傳輸,實現(xiàn)了高離子傳導(dǎo)性和鋰離子遷移數(shù)。組裝得到的鋰對稱電池和磷酸鐵鋰全固態(tài)電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能和循環(huán)可逆性能。本研究通過生物發(fā)酵途徑引入氨基和碳氮化物,顯著提升了電解質(zhì)的力學(xué)強度和離子傳導(dǎo)性能,為高性能電池材料的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202314976
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