固态电解质需要快速的离子传输，同时提供优异的界面兼容性和机械耐受性。青岛科技大学张建明教授团队及合作者提出了一种简单且有效的方法，采用干法加工以硬纤维素纳米晶体（CNC）为骨架，以软聚丙烯腈（PAN）为填料将硬组分和软组分聚合物相结合，通过原位接枝聚合开发具有3D网络的固态聚合物电解质（SPE）。该聚合物具有几个优点，包括易加工，只需极少量的溶剂，重量轻（ρ=1.2 g cm−3），优异的机械稳定性（拉伸强度为9.5 MPa），以及高离子电导率（3.9×10−4 S cm−1）和迁移数（tLi+=0.8）。CNC-PAN粉末与CNC表面丰富的磺酸根和羟基之间构建的高效Li+传输路径充当了Li+过渡的桥梁，实现了高导电性。当CNCs接枝到PAN聚合物上时，PAN的腈基和CNCs的羟基之间的偶极-偶极相互作用有助于提高SPE的机械稳定性和离子导电性。此外，固态电池通过热压可以在SPE和LiFePO4（LFP）/炭黑/SPE正极之间形成紧密的界面，从而进一步提高电池的性能。相关研究成果以“Dry-Processable Polymer Electrolytes for Solid Manufactured Batteries”为题发表在ACS Nano上。

　　固态电池为下一代、高能量和安全的电化学储能提供了解决方案，利用固态电解质与锂金属负极配对，这些在电化学性能和安全性方面都优于传统的锂离子电池。尽管无机固态电解质的开发已经取得了重大进展，但这些系统仍然面临着一些挑战，此外，优异和稳定的机械强度对于固态电解质来说至关重要，以防止锂枝晶生长的破坏。

　　聚合物复合电解质及其相关加工方法的发展引起了人们的极大关注，然而，聚合物电解质的常见制备方法通常依赖于溶液浇铸，仍然伴随着以下问题：（1）大量有毒溶剂蒸汽导致环境污染，（2）成膜效率低，（3）聚合物在干燥过程中可能重结晶，（4）以及由于组分沉淀导致电解质膜的不均匀性。

　　纤维素作为一种丰富、多功能、可持续、廉价的材料，在轻量化、大规模应用于锂电池方面具有巨大的优势。尽管纤维素是一种绝缘材料，但由于其表面具有丰富的官能团，被证明是制造不同电池复合材料的优秀材料，并且作为一种活性材料，它可以显著提高器件的性能。纤维素通常被称为纤维素微纤维（CMFs）、纳米纤维素（CNFs）或纤维素纳米晶体（CNCs）。这些类型的纤维素具有不同的形态和晶体结构，在制造过程中产生了具有不同孔隙率和含水量的材料。具有高结晶度的纤维素如CNCs，特别有前景，因为它们可以减少与电荷存储器件中存在水相关的问题。此外，具有高结晶度的CNCs具有优异的机械性能，这对抑制锂枝晶的生长非常有帮助。

　　作者探索了一种基于高机械强度的硬骨架和增强界面相容性、离子导电性的软聚合物的硬/软组分聚合物电解质的设计方法，采用干法工艺制备了在PAN（CNC-PAN）上接枝的自组装多孔磺化纤维素纳米晶体（CNCs），通过丙烯腈（AN）在一维磺化CNC水溶液中的原位聚合制备了多孔CNC-PAN粉末，该溶液可以被少量的LiTFSI/EC溶液完全润湿并压缩成薄的SPE膜。当CNCs接枝到PAN聚合物上时，CNCs良好的机械性能有助于提高SPE的机械稳定性。此外，CNC表面丰富的磺酸根和其他含氧极性官能团（如羟基）可以溶剂化Li+并有助于Li+的移动，充当Li+传输的桥梁，降低SPE中的能垒，从而提高离子的导电性。PAN腈基之间的偶极-偶极相互作用可以结合EC分子形成快速离子传输通道，从而进一步提高离子电导率。SPE具有良好的综合性能，如重量轻（ρ=1.2 g cm−3）、抗拉强度高（9.5 MPa）、高离子电导率（3.9×10−4 S cm−1）和迁移数（tLi+=0.8）。通过球磨制备的LFP/炭黑/SPE与SPE通过热压结合，获得紧密形成的界面，从而使组装电池具有优异的性能。这项研究不仅展示了一种制备具有高离子电导率的机械性能好的聚合物电解质设计策略，还展示了通过使用简单、低成本、可规模化的制造方法，从生物质衍生材料中实现高性能锂金属电池的潜力。（文：李澍）

　　图1（a）CNC、AN和CNC-PAN的分子式;（b）SPE内部离子传导图;（c）基于SPE的集成固态锂电池的示意图;（d）CNC-PAN粉末的SEM图;（e）PAN、CNC-PAN和CNC的FTIR光谱;（f）固态电解质膜制备过程示意图;（g）PAN聚合物电解质和SPE的TGA曲线（a）SPE截面的SEM图和（b）SPE截面的SEM图;（c）SPE俯视图的SEM图;（d）SPE与其他方法的应力和密度对比;（e）SPE和PAN电解质在5MPa压力下的图;（f）CNC和EC之间氢键相互作用的示意图;（g）自行设计的拉伸装置示意图;（h）SPE/PAN聚合物电解质在恒拉力和加热条件下的照片和热红外图像

　　图3（a）PAN聚合物电解质和SPE离子电导率的温度依赖性;（b）基于σ和ρ的CNC-PAN与其他体系的比较;（c）通过线性扫描伏安法（LSV）获得电解质膜的电化学稳定性;（d）带有SPE的电池在20 mV直流极化后的电流-时间曲线;（e）具有SPE的LiLi半电池的电压-时间曲线和（f）极限电流密度测试

　　图4（a）正极和SPE之间紧密界面的示意图;（b）带有SPE的压制正极的纵向截面SEM和EDX图;（c）在0.1C的电流倍率下，与SPE组装的LiFePO4/Li电池的循环性能;（f）具有SPE的电池在不同倍率下的充放电曲线/Li电池与之前研究中不同聚合物电解质的电池性能比较;（h）SPE独立膜通过折叠、扭曲和展开被滥用的照片;（i）在点亮LED灯泡的LFP/SPE/Li扣式电池中，SPE作为隔膜的照片