近期，浙江理工大學(xué)胡毅教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)特拉華大學(xué)付堃教授團(tuán)隊(duì)合作，以廢棄腈綸紗線（含染色腈綸）為原材料，構(gòu)建出3D纖維網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的腈綸基陶瓷復(fù)合納米纖維固體電解質(zhì)，為廢棄紡織纖維的回收利用提供了新思路，同時(shí)也為開(kāi)發(fā)適用于柔性可穿戴電子領(lǐng)域的高性能固體電解質(zhì)提供了一種低成本、可行的解決方案。相關(guān)成果日前發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《ACS應(yīng)用材料與界面》。
腈綸是由聚丙烯腈的丙烯腈共聚物制成的合成纖維。聚丙烯腈的聚合物鏈中的腈基，是具有高電化學(xué)穩(wěn)定性的典型強(qiáng)吸電子基團(tuán)，這使得聚丙烯腈聚合物成為制備固態(tài)電解質(zhì)的理想候選材料。
胡毅介紹，腈綸在儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用具有可行性，服用腈綸與聚丙烯腈主要成分相同，成本也相對(duì)較低。若將廢棄服用腈綸替代聚丙烯腈聚合物作為原料應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域，將實(shí)現(xiàn)廢棄紡織品的綠色低成本高值化利用。
此次研究中，科研人員對(duì)回收得到的廢舊腈綸紗（含染色腈綸）進(jìn)行簡(jiǎn)單的清洗和干燥處理后，再用潔凈的腈綸紗制備出腈綸溶液，繼而將鋰鑭鉭鋯氧（LLZTO）陶瓷納米粒子分散在腈綸溶液中，制備腈綸基陶瓷復(fù)合靜電紡絲前驅(qū)體溶液。“電紡已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因此我們選擇用電紡技術(shù)，獲得3D結(jié)構(gòu)的LLZTO/腈綸納米纖維網(wǎng)絡(luò)，作為復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的填充框架。”胡毅介紹，通過(guò)簡(jiǎn)單的液相組裝，科研人員就可將聚合物溶液（PEO-LiTFSI溶液）滲透到復(fù)合纖維網(wǎng)絡(luò)中，得到LLZTO/腈綸復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。
科研人員將整個(gè)制備過(guò)程比作鋼筋混凝土的建造過(guò)程，在這個(gè)制備過(guò)程中，腈綸起到了鋼筋框架的作用，而聚合物則滲透到復(fù)合纖維網(wǎng)絡(luò)中，相當(dāng)于混凝土和鋼筋框架澆筑成一體。這樣制備出的增強(qiáng)型復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)具有更好的熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能和電化學(xué)穩(wěn)定性。
近年來(lái)，固態(tài)電解質(zhì)的研究成為一項(xiàng)熱點(diǎn)。與電解液相比，其在鋰離子電導(dǎo)率、提高電化學(xué)穩(wěn)定性等方面均有提升。
此次實(shí)驗(yàn)顯示，LLZTO/腈綸復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出較高的離子電導(dǎo)率。由此制成的軟包電池可在動(dòng)態(tài)彎曲下穩(wěn)定工作，而且在極端條件下，能夠保持安全穩(wěn)定運(yùn)行并可為L(zhǎng)ED燈持續(xù)穩(wěn)定供電。
胡毅介紹，LLZTO是一種氧化物陶瓷固體電解質(zhì)，其納米顆粒均勻分散在連續(xù)的LLZTO/腈綸復(fù)合納米纖維中。這種結(jié)構(gòu)不僅避免了LLZTO顆粒的團(tuán)聚，而且能夠形成連續(xù)的離子傳輸路徑，還有利于導(dǎo)電聚合物溶液滲透到復(fù)合纖維框架中，以形成連續(xù)的陶瓷/聚合物界面，最終實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池的穩(wěn)定循環(huán)。
胡毅說(shuō)，演示實(shí)驗(yàn)證明了LLZTO/腈綸復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)在全固態(tài)鋰金屬電池中具備超高安全性，并有望作為柔性儲(chǔ)能器件應(yīng)用到可穿戴電子產(chǎn)品當(dāng)中。
“傳統(tǒng)平面固態(tài)電解質(zhì)制備工藝繁瑣，而此次研究的3D結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)制備過(guò)程較為簡(jiǎn)單。我們其實(shí)是用染整（即印染）的思維去做能源儲(chǔ)件。”胡毅介紹，制備過(guò)程中所用的LLZTO陶瓷納米顆粒為團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，價(jià)格較低，因此整個(gè)制備過(guò)程成本相對(duì)較低。未來(lái)，該研究將有望應(yīng)用于更多領(lǐng)域。（洪恒飛 張若嫻 本報(bào)記者 江 耘）
