中国林科院木材所《ACS Energy letters》:木材聚集体创新研究助推锂金属电池性能突破!

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中国林科院木材所《ACS Energy letters》:木材聚集体创新研究助推锂金属电池性能突破!

锂二次电池在现代社会中发挥着极其重要的作用。备受关注的锂金属电池因锂离子沉积不均匀造成的易短路、寿命短是世界性难题。高能量密度的锂金属电池会由于锂离子浓度不均匀形成“死”锂和锂枝晶,从而导致锂金属电池的使用寿命缩短。理想的固态电解质界面膜可以通过空间均匀化锂离子通量和促进锂离子快速迁移来实现均匀的锂离子沉积,从而抑制枝晶的形成,使锂金属负极具备优异的电化学性能。但是,大多数的固态电解质界面膜材料需要昂贵的前驱体和复杂的合成工艺,从而限制了它们在电池产品中的实际应用。如今,大自然给这个难题提供了解决方案。


自然界中,树木依靠纹孔膜可对整个树干内矿物质离子的交换进行调控,从而保证营养物质的连续传递。受纹孔膜输运调控机制和天然结构启发,研究人员提出了天然木材纳米结构用于优化锂金属负极离子分布和沉积行为的创新思路。中国林科院木材工业研究所吕建雄研究员团队联合浙江工业大学材料科学与工程学院陶新永教授团队以及佐治亚理工学院化学与分子生物工程学院Yulin Deng教授团队集结东北林业大学、北京林业大学以及中北大学的不同学科研究人员,首次实现了木材次生细胞壁聚集体薄层(lamella)的精准剥离;所分离的聚集体薄层可作为固态电解质界面膜解决锂离子浓度调控难题,实现了锂金属电池性能的优化,突破了制约锂金属电池寿命的技术瓶颈,使电池寿命增加75%以上。这项成果如果形成产业化,将产生巨大的经济效益和社会效益。该研究以题为“Natural Wood Structure Inspires Practical Lithium-Metal Batteries”的论文发表在最新一期《ACS Energy letters》上。

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图1.木材纹孔膜结构作为锂金属电池阳极固态电解质界面膜的功能示意图。


该研究从人工林杉木细胞壁S2层中分离出聚集体薄层,其长度、宽度可达1000m以上且厚度仅为10nm,其内部为定向排列的纤维素分子,表面覆盖有无定型木质素和半纤维素。     

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图2. 从木材次生壁中分离聚集体薄层的示意图及其表征。


由聚集体薄层制成的固态电解质界面膜可以调节锂金属的沉积和溶解,从而获得稳定高效的锂电池。以聚集体薄层保护的Li金属电极制备锂对称电池,其电压迟滞仅为32 mV,且表现出极佳的循环稳定性。与商用LiFePO4正极匹配时,全电池可提供约140 mAh·cm-2的高比容量和99.6%的高平均CE,并稳定循环800圈。此外,这种聚集体薄层固态电解质界面膜在0.5 Ah级锂金属软包电池中也取得了较好的效果(循环寿命增加75%以上),显示出在电池商品中的巨大应用潜力。

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图3.聚集体薄层调节锂离子沉积示意图及其表征。

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图4. 添加聚集体薄层前后的锂金属电池电化学性能表征。


卢芸副研究员指出,所分离的聚集体薄层不仅对木材细胞壁构造研究有非常重要的科学意义,而且可作为一类新型功能材料加以高值利用。Yulin Deng教授指出,这种具有天然结构的薄层可用来制备高强度的气体与水蒸汽阻隔膜,也可用于制备各种纳米层装结构的功能复合材料。陶新永教授指出,木材微纳级结构会在电化学储能领域大有作为,今后生物质作为先进材料将不断助力能源领域发展。吕建雄研究员指出,从木材中首次分离出聚集体薄层,为解析细胞壁次生壁的构效关系及组分相互作用开辟了新途径,这代表对木材细胞壁的研究进入了超分子时代。


Yun Lu, Yutong Lu, Chengbin Jin, Runan Gao, Bo Liu, Yuxiang Huang, Yanglun Yu, Jun Ren, Yulin Deng*, Xinyong Tao*, and Jianxiong Lyu*, Natural Wood Structure Inspires Practical Lithium–Metal Batteries, ACS Energy Lett. 2021, DOI:10.1021/acsenergylett.1c00629


近年来,卢芸副研究员在木材细胞壁解译及功能化机制研究方向发表系列论文,其中影响因子大于6的论文8篇,相关文章列表如下:

[1].X. Jing*, Y. Lu*, et al. PAF-1@Cellulose Nanofibril Composite Aerogel for Highly- efficient Removal of Bisphenol A. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7: 157-164. IF=11.301


[2].Y. Lu*, D. Yang*, et al. Nanoscale Engineering of Nitrogen-doped Carbon Nanofiber Aerogels, for Enhanced Lithium Ion Storage. Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5(18): 8247-8254. IF=9.931


[3].Y. Lu*, D. Yang*, et al. Research progress of nanocellulose for electrochemical energy storage: A review. Journal of Energy Chemistry. 2021, 51: 342–361,IF =9.317


[4].Y. Lu, et al. Coherent-Interface-Assembled Ag2O-Anchored Nanofibrillated Cellulose Porous Aerogels for Radioactive Iodine Capture. ACS Applied Materials & Interfaces. 2016, 8(42):29179−29185. IF =7.504,


[5].T. Rosenau*, J. Li*, Y. Lu*, et al. Mussel Adhesive-Inspired Design of Superhydrophobic Nanofibrillated Cellulose Aerogels for Oil/Water Separation [J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering,2018, 6 (7): 9047-9055. IF=6.970、


[6].Y. Lu*, et al. An architectural exfoliated-graphene carbon aerogel with superhydrophobicity and efficient selectivity. Materials & Design, 2019, 184:108134. IF=6.289


[7].Y. Lu, et al. High nitrogen doped carbon nanofiber aerogels for sodium ion batteries: synergy of vacancy defects to boost sodium ion storage. Applied Surface Science, 2019, 496. IF=6.182


[8].Y. Lu, et al. Sustainable Route of Molecularly Thin Cellulose Nanoribbons and Derived Nitrogen-Doped Carbon Electrocatalysts [J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering,2017, 5(10): 8729-8737. IF=6.140


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参考文献: