中國林科院木材所《ACS Energy letters》：木材聚集體創新研究助推鋰金屬電池性能突破！
鋰二次電池在現代社會中發揮著極其重要的作用。備受關注的鋰金屬電池中因鋰離子沉積不均勻造成的易短路、壽命短是世界性難題。高能量密度的鋰金屬電池會由于鋰離子濃度不均勻形成“死”鋰和鋰枝晶，從而導致鋰金屬電池的使用壽命縮短。理想的固態電解質界面膜可以通過空間均勻化鋰離子通量和促進鋰離子快速遷移來實現均勻的鋰離子沉積，從而抑制枝晶的形成，使鋰金屬負極具備優異的電化學性能。但是，大多數的固態電解質界面膜材料需要昂貴的前驅體和復雜的合成工藝，從而限制了它們在電池產品中的實際應用。如今，大自然給這個難題提供了解決方案。
自然界中，樹木依靠紋孔膜可對整個樹干內礦物質離子的交換進行調控，從而保證營養物質的連續傳遞。受紋孔膜輸運調控機制和天然結構啟發，研究人員提出了天然木材納米結構用于優化鋰金屬負極離子分布和沉積行為的創新思路。中國林科院木材工業研究所呂建雄研究員團隊聯合浙江工業大學材料科學與工程學院陶新永教授團隊以及佐治亞理工學院化學與分子生物工程學院Yulin Deng教授團隊集結東北林業大學、北京林業大學以及中北大學的不同學科研究人員，首次實現了木材次生細胞壁中聚集體薄層（lamella）的精準剝離；所分離的聚集體薄層可作為固態電解質界面膜解決鋰離子濃度調控難題，實現了鋰金屬電池性能的優化，突破了制約鋰金屬電池壽命的技術瓶頸，使電池壽命增加75%以上。這項成果如果形成產業化，將產生巨大的經濟效益和社會效益。該研究以題為“Natural Wood Structure Inspires Practical Lithium-Metal Batteries”的論文發表在最新一期《ACS Energy letters》上。
圖1.木材紋孔膜結構作為鋰金屬電池陽極固態電解質界面膜的功能示意圖。
該研究從人工林杉木細胞壁S2層中分離出聚集體薄層，其長度、寬度可達1000μm以上且厚度僅為10nm，其內部為定向排列的纖維素分子，表面覆蓋有無定型木質素和半纖維素。
圖2. 從木材次生壁中分離聚集體薄層的示意圖及其表征。
由聚集體薄層制成的固態電解質界面膜可以調節鋰金屬的沉積和溶解，從而獲得穩定高效的鋰電池。以聚集體薄層保護的Li金屬電極制備鋰對稱電池，其電壓遲滯僅為32 mV，且表現出極佳的循環穩定性。與商用LiFePO4正極匹配時，全電池可提供約140 mAh·cm-2的高比容量和99.6％的高平均CE，并穩定循環800圈。此外，這種聚集體薄層固態電解質界面膜在0.5 Ah級鋰金屬軟包電池中也取得了較好的效果（循環壽命增加75%以上），顯示出在電池商品中的巨大應用潛力。
圖3.聚集體薄層調節鋰離子沉積示意圖及其表征。
圖4. 添加聚集體薄層前后的鋰金屬電池電化學性能表征。
盧蕓副研究員指出，所分離的聚集體薄層不僅對木材細胞壁構造研究有非常重要的科學意義，而且可作為一類新型功能材料加以高值利用。Yulin Deng教授指出，這種具有天然結構的薄層可用來制備高強度的氣體與水蒸汽阻隔膜，也可用于制備各種納米層裝結構的功能復合材料。陶新永教授指出，木材微納級結構會在電化學儲能領域大有作為，今后生物質作為先進材料將不斷助力能源領域發展。呂建雄研究員指出，從木材中首次分離出聚集體薄層，為解析細胞壁次生壁的構效關系及組分相互作用開辟了新途徑，這代表對木材細胞壁的研究進入了超分子時代。
文章鏈接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00629
延伸閱讀：
近年來，盧蕓副研究員在木材細胞壁解譯及功能化機制研究方向發表系列論文，其中影響因子大于6的論文8篇，相關文章列表如下：
相關進展
崔屹教授、陶新永教授：Li7La3Zr2O12 /碳泡沫和聚合物的復合材料固體鋰硫電池在37℃下運行
吉林大學于吉紅院士團隊《Nature》：在固態鋰空電池研發方面取得重要進展
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