中科大俞书宏教授和姚宏斌教授：虾壳衍生的几丁质纳米纤维膜用作锂/钠离子电池的环保隔膜

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室的俞书宏教授和姚宏斌教授等人报道了一种衍生自虾壳结构，通过自组装几丁质纳米纤维制备的新型环保隔膜用于锂/钠离子电池中。研究发现，几丁质纳米纤维隔膜（CNM）的孔径可以通过调节几丁质纳米纤维自组装过程中造孔剂（柠檬酸二氢钠，SDCA）的数量来调节。通过优化CNM的孔径，具有CNM隔膜的LiFePO4/Li半电池的电化学性能可以与采用商业化聚丙烯（PP）隔膜的电池性能相媲美。更值得注意的是，CNM隔膜在LiFePO4/Li电池处于120°C条件下以及 Na3V2(PO4)3/Na电池中展现了比PP隔膜更加优异的性能。相关成果发表在Nano Letters上。该工作的第一作者是张天文。

图1 几丁质纳米纤维的SEM图像和相关图片

（a）获得的几丁质纳米纤维悬浮液的图片

（b） 获得的几丁质纳米纤维的SEM图像

（c） 直接真空干燥几丁质纳米纤维悬浮液得到CNM

（d） 在SDCA的作用下，CNM隔膜中纳米孔的生成示意图

图2 CNM隔膜的微结构表征

（a-e）几丁质纳米纤维悬浮液中不同量的SDCA（分别为0，20wt％，30wt％，40wt％和50wt％）作用下CNM隔膜的SEM图像和相应的横截面SEM图像

（f）商业化PP隔膜的SEM图像和相应的横截面图像

图3 PP隔膜和CNM隔膜的性能

（a，b）分别为PP隔膜，纤维素无纺布隔膜和CNM隔膜的应力-应变曲线

（c）PP隔膜和几丁质/ SDCA-40％隔膜的DSC曲线

（d）在150℃下热处理0.5小时之前（左）和之后（右），PP隔膜和几丁质/ SDCA-40％隔膜的图片

（e，f）PP隔膜和Chitin / SDCA-40％隔膜上电解液滴的接触角图片

图4 采用不同隔膜的LiFePO4/Li半电池电化学性能比较

（a） 在1.0mV s-1的扫描速率下，PP隔膜和几丁质/SDCA-40％隔膜的线性扫描伏安曲线

（b） 在0.1C倍率（1C = 170mA g-1）下，使用PP隔膜和几丁质/SDCA-40％隔膜的LiFePO4/Li半电池充电/放电电压曲线

（c，d）分别使用不同充电/放电速率的PP隔膜和几丁质/SDCA-40％隔膜的电池电压分布

（e）使用PP隔膜、纤维素无纺布隔膜和几丁质/SDCA-40％隔膜的电池在0.1C倍率下首次进行5个循环后，随后以0.5C的倍率循环的循环性能

图5 采用不同隔膜的LiFePO4/Li半电池在120℃以及Na3V2(PO4)3/Na半电池的电化学性能对比

（a，b）不同隔膜的LiFePO4/Li半电池以0.5C的倍率在120℃时测得的（a）充电/放电电压曲线和（b）循环性能

（c，d）分别在0.1C和0.5C（1C = 117mA g-1）倍率下，不同隔膜的Na3V2(PO4)3/Na半电池的（c）充放电电压曲线和（d）循环性能

本研究从虾壳中提取了几丁质纳米纤维，并使用这些纳米纤维通过简单的真空干燥工艺制造CNM隔膜，使用SDCA作为牺牲模板来制备纳米孔。CNM隔膜的独特的纳米级多孔结构可以通过改变几丁质纳米纤维悬浮液中SDCA的含量进行微调，所制备的隔膜在锂/钠半电池中均展现了优异的性能。

论文链接：

http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b01875

来源：材料人

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