随着全球能源危机的加剧，新能源技术的发展受到了前所未有的关注。在众多新能源技术中，锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和优异的工作电压而成为新能源领域的佼佼者。然而，传统的锂离子电池采用的液态电解质和隔膜系统存在安全隐患，主要原因是电解质泄漏和其固有的易燃性。为了解决这些问题，固态电解质（SSE）应运而生，它们不含液态电解质，理论上可以提供更高的安全性。但固态电解质的离子导电性和界面兼容性较差，限制了它们的应用。凝胶聚合物电解质（GPE）作为SSE的一种，通过吸收电解质并将其保留在聚合物链段中，具有更优异的离子导电性和界面兼容性。目前，GPE主要基于PEO、PAN和PVDF等聚合物。这些聚合物以及商业锂离子电池隔膜（PP、PE）的生产成本高，且对环境不友好。因此，寻找绿色、经济的凝胶聚合物电解质基材成为了研究的迫切需求。天然聚合物，如淀粉、纤维素、甲壳素和木质素等，因其可再生和环境友好的特性，成为了能源存储领域的理想选择。特别是纤维素，作为地球上最丰富的天然聚合物之一，其丰富的羟基（-OH）可以形成氢键，为纤维素提供了强大的机械性能。因此，以纤维素为主体的GPE受到了广泛关注。

贵州大学材料与冶金学院国家工程中心课题组通过化学交联的方式制备了纤维素膜，使用环氧氯丙烷作为交联剂。然后，以PVDF-HFP为载体，将掺杂了纳米氢氧化镁的PVDF-HFP纺丝溶液通过电纺技术均匀涂覆在纤维素膜表面，制备出复合膜。纳米氢氧化镁/PVDF-HFP层能有效防止纤维素膜表面的羟基与锂片接触，减少副反应，提高界面兼容性。此外，纳米氢氧化镁还能作为锂离子传输的重分配器，促进锂离子的均匀沉积，减少锂枝晶的形成，延长循环寿命。该工作 以“Long-Cycling Cellulose-Based Gel Polymer Electrolyte Utilizing Nanohydrotalcite as a Li Transport Redistributor ”发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。文章的第一作者是贵州大学材料与冶金学院的硕士生訾兴富张学忠，通讯作者为郭建兵研究员。

图1  制备过程 示意图，清晰地说明了纤维素膜是如何通过电纺技术与纳米氢氧化镁/PVDF-HFP层复合的。

图2  电池组装示意图；(a) 对称不锈钢片电池；(b) 对称锂电池；(c) 不锈钢片//锂电池；(d) 磷酸铁锂//锂电池。

图3  (a) PCP，(b) PCP-2%，(c) PCP-4%，(d) PCP-6% 的纤维直径分布，(e) 不同膜样品的孔隙率和 (f) 电解液吸收行为，(g) 使用液态电解液测量的不同膜的接触角。

图4  (a) 对称不锈钢片电池的电化学阻抗谱（EIS）图，(b) CM，(c) PCP，(d) PCP-2%，(e) PCP-4%，(f) PCP-6% 对称锂电池的 EIS 图和电流-时间（i-t）曲线。

图5  (a) 样品的循环性能图和 (b) 库仑效率图，(c,d) 使用不同样品作为 GPE 的 Li/SE/Li 电池在恒定电流密度下的循环性能。

本研究成功开发了一种新型的纤维素基凝胶聚合物电解质，通过在纤维素膜表面涂覆纳米氢氧化镁/PVDF-HFP层，显著提高了锂离子电池的界面兼容性和循环稳定性。纳米氢氧化镁的添加不仅增强了膜的机械性能和阻燃性能，还作为锂离子传输的重分配器，促进了锂离子的均匀沉积，减少了锂枝晶的形成。这些改进使得新型电解质在500个循环后仍能保持91.7%的特定容量，展现了优异的循环稳定性和倍率性能。这项研究为开发高性能、环境友好的锂离子电池提供了新的思路和方法，有望推动新能源技术的发展和应用。

文献链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c07314