在发表在《自然》杂志上的研究中，该团队展示了一种固体离子导体，它将铜与纤维素纳米纤维(源自木材的聚合物管)结合在一起。研究人员说，这种纸薄材料的离子电导率比其他聚合物离子导体好 10 到 100 倍。它既可以用作固体电池电解质，也可以用作全固态电池阴极的离子导电粘合剂。
“通过将铜与一维纤维素纳米纤丝结合，我们证明了通常离子绝缘的纤维素在聚合物链内提供了更快的锂离子传输，”马里兰大学材料科学与工程系教授胡梁兵说. “事实上，我们发现这种离子导体在所有固体聚合物电解质中实现了创纪录的高离子电导率。”
这项工作是胡的实验室与布朗工程学院教授岳奇的实验室之间的合作。
今天的锂离子电池广泛应用于从手机到汽车的所有领域，其电解质由溶解在液体有机溶剂中的锂盐制成。电解质的工作是在电池的阴极和阳极之间传导锂离子。液体电解质效果很好，但也有一些缺点。在高电流下，称为枝晶的锂金属细丝会在电解质中形成，从而导致短路。此外，液体电解质由易燃和有毒化学品制成，可能会着火。
固体电解质具有防止枝晶渗透的潜力，并且可以由不可燃材料制成。迄今为止研究的大多数固体电解质都是陶瓷材料，它们在传导离子方面非常出色，但它们也很厚、很硬而且很脆。制造以及充电和放电过程中的应力会导致裂纹和断裂。
然而，本研究中介绍的材料又薄又柔，几乎像一张纸。并且其离子传导性与陶瓷不相上下。
布朗大学的高级研究员 Qi 和 Qisheng Wu 对铜纤维素材料的微观结构进行了计算机模拟，以了解为什么它能够很好地传导离子。建模研究表明，铜增加了纤维素聚合物链之间的空间，纤维素聚合物链通常以紧密堆积的束状存在。扩大的间距创造了离子高速公路，锂离子可以相对畅通无阻地通过。
“锂离子通过我们通常在无机陶瓷中发现的机制在这种有机固体电解质中移动，从而实现创纪录的高离子电导率，”齐说。“使用大自然提供的材料将减少电池制造对我们环境的整体影响。”
除了用作固体电解质外，这种新材料还可以用作固态电池的正极粘合剂。为了匹配阳极的容量，阴极需要显着更厚。然而，这种厚度会影响离子传导，从而降低效率。为了使更厚的阴极工作，它们需要被包裹在离子导电粘合剂中。使用他们的新材料作为粘合剂，该团队展示了他们认为是有史以来最厚的功能阴极之一。