纤维素梯度功能膜微结构可控构筑及在新型储能器件中应用基础研究与机理解析

Novel-electrochemical energy storage system with high specific capacity, no energy storage memory effect, portability, and intelligence has received increasing attention. However, separator as an integral part of energy storage equipment is facing the problems of poor pore uniformity, low thermal-mechanical strength, inadequate anti-puncture strength, unsatisfactory ion selectivity, and non-degradable, which limits the practical applications of high-performance green energy storage device. Inspired by the gradient structure of nature functional material, and choosing cellulose with completely renewable and biodegradable as original material, we build the idealized cellulose gradient functional membrane with pore adjustable, ion-selective, structural designability through biomimetic self-healing properties of cellulose molecular-ion gel. Then, the cellulose-based gradient membrane applying to the Li-ion, Na-ion, and Li-S batteries improves their electrochemical properties and safety, and the inhibition mechanism of gradient membrane on dendrite growth of alkali metal and shuttle effect of polysulfides (LiPSs) is studied. Based on the analysis of interaction modes, interface network structure and construction mechanism of gradual change region of cellulose, ionic liquids, active substances and other components, we present the novel-system strategy from microstructure to effective performance to composite structure design and provide a scientific basis for the research and development of environment-friendly cellulose-based functional materials.

新型电化学储能器件兼具高比容量、无储能记忆效应、便携式和智能性等优点，受到人们的广泛关注与青睐。然而，隔膜作为储能设备中不可或缺的核心部件面临着孔径均匀性差、热机械强度低、抗穿刺强度不足和离子选择透过性差及不可降解等问题，难以满足高性能绿色储能器件应用需求。本项目受到自然界梯度功能材料渐变结构启发，以完全可再生、可降解生物资源纤维素为原材料，利用纤维素离子凝胶化学稳定性与仿生类自愈合特性，在准分子水平构建具有孔径可调性、离子选择性和结构可设计等特性的纤维素梯度功能膜材料，应用于Li、Na离子电池、Li-S电池等改善各自电化学性能与安全性，明确梯度膜对枝晶生长与多硫化物（LiPSs）穿梭效应抑制机理。通过解析纤维素、离子液体、活性物质等组分相互作用方式，界面网络结构形式和渐变区域构建机理等，建立由微观结构-有效性能-复合结构合理设计的新思路，为环境友好型纤维素基功能材料的研发提供科学基础。

随着传统化石能源的枯竭及国家“双碳”可持续发展战略的提出，新型绿色功能材料及能源器件（超级电容器及二次电池等）已受到广泛关注。木质纤维素作为一种完全可再生且可降解的生物质资源在功能材料设计及柔性储能器件中的应用将大有可为。. 本项目以林木剩余物（木粉）中提取的纤维素为原材料，通过构建纤维素分子均相体系，设计动态氢键拓扑网络及结构优化调控，开发了一系列纤维素基新型功能材料及先进性应用。包括，基于纤维素分子体系而开发了一种纤维素分子非牛顿流体，成功构建了具有梯度结构的纤维素/玻璃纤维复合膜，其具有高的机械性能及柔韧性，将其用于组装柔性锂离子电池，展现出很好的循环稳定性（比电容可达108.5 mAh/g，经过1000次循环操作）；利用纤维素分子水凝胶的动态氢键结构，开发了柔性、透明及高导电稳定性的纤维素膜，显著优于商用的ITO膜，将其作为柔性导体及集流体，用于构建柔性传感器及微型超级电容器，展现出了高的灵敏性与储能性能；通过调控水、纤维素、阴-阳离子三者间的相互竞争关系，开发了一种机械、自愈性及离子导电等性能可动态切换的纤维素离子凝胶，其离子电导率可达40 mS/cm,应用于电子皮肤展现出巨大的实际应用性；借鉴海参表皮刚度的自我调控机制，开发了一种软/硬可自我切换的智能材料，且具有出色的机械性能，包括高的抗冲击性能（比冲击强度可达116 kJ m-2 (g cm−3)−1，及强的抗刺穿性能（比刺穿吸收能可达748.5 J m−1 (g cm−3)−1,优于铝金属及合金材料，甚至超过商用的防护材料D3O及Kevlar，在自我防护器件、智能机器人及增材制造等领域展现出了巨大应用潜在。. 本项目以可再生的林业剩余物，即木质纤维素为研究对象，通过设计纤维素超分子动态氢键网络及结构形貌，赋予木质资源高值化的功能属性，既能“变废为宝”实现其前沿性利用，同时科学地提出分子体系-氢键设计-结构优化-性能开发的整体式设计新思路，也为其他领域的功能材料结构设计与新性能开发提供理论基础与指导意义。