Nature| 铜离子配位纤维素：固态电池的离子导体新突破！
1. 研究背景
固态锂金属电池因其高能量密度和安全性被视为下一代储能系统的理想选择。然而，现有的固态离子导体无法满足电池操作的严格要求。无机离子导体虽然具有高离子导电性，但其刚性和脆性导致与电极的界面接触不良；而聚合物离子导体虽然具有较好的界面兼容性和机械耐受性，但其离子导电性通常较低，且锂离子传输与聚合物链的运动高度耦合。本文提出了一种通过分子通道工程实现高性能固态聚合物离子导体的通用策略，通过铜离子（Cu²⁺）与一维纤维素纳米纤维（CNF）的配位，成功打开了纤维素分子通道，实现了锂离子的快速传输，为固态电池的发展提供了新的解决方案。
2. 本文要点
1. 分子通道工程。通过铜离子与纤维素纳米纤维的配位，打开了纤维素分子通道，显著提高了锂离子的传输效率，室温下沿分子链方向的锂离子电导率高达1.5 × 10⁻³ S/cm。
2. 离子传输机制。在 Li-Cu-CNF 分子通道中，纤维素分子链上存在大量的羟基（-OH）、羧酸根（-COO⁻）、烷氧基（-RO⁻）和醚基（-EO）等含氧官能团，形成大量Li-O 配位。当Li+移动时，可以只从一两个键合氧原子上解离，同时仍与其它配位，从而产生较低的迁移能垒。
3.关键性能突破。Li-Cu-CNF拥有较高的锂离子迁移数，达到0.78，在离子传输中具有较高的效率；具有良好的柔韧性和机械强度，能够与电极材料形成良好的界面接触；其电化学稳定窗口宽达0–4.5 V，能够兼容锂金属阳极和高压阴极材料。
图1. 纤维素纳米纤维（CNF）的层次结构示意图及其离子传输性能
图2. Li-Cu-CNF合成过程中的结构演变
图3. Li-Cu-CNF中Li+传导性和传输机制
图4. Li-Cu-CNF在固态电池中的应用
3. 研究结论
本文通过铜离子配位纤维素纳米纤维，成功开发了一种高性能的固态离子导体（Li-Cu-CNF），其室温下的锂离子电导率高达1.5 × 10⁻³ S/cm，转移数为0.78，电化学稳定性窗口为0-4.5 V。该离子导体通过分子通道工程实现了锂离子传输与聚合物链运动的解耦，显著提高了离子导电性。此外，Li-Cu-CNF不仅可以用作薄而致密的固态电解质，还能作为厚电极的离子导电粘合剂，显著提升了固态电池的能量密度。这一设计策略不仅适用于锂离子导体，还可扩展到其他聚合物和阳离子体系，为高性能固态离子导体的开发提供了新的思路。
4. 文章信息
Chunpeng Yang, Qisheng Wu, Weigi Xie, Xin Zhang, Alexandra Brozena, Jin Zheng, Mounesha N. Garaga, Byung Hee Ko, Yimin Mao, Shuaiming He, Yue Gao, Pengbo Wang, Madhusudan Tyagi, Feng Jiao, Robert Briber, Paul Albertus, Chunsheng Wang, Steven Greenbaum, Yan-Yan Hu, Akira Isogai, Martin Winter, Kang Xu, Yue Qi* & Liangbing Hu*. Nature, 598, 590–596 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03885-6
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