首页◎洪恒飞 张若娴 本报记者 江 耘
近期，浙江理工大学胡毅教授团队与美国特拉华大学付堃教授团队合作，以废弃腈纶纱线（含染色腈纶）为原材料，构建出3D纤维网络增强的腈纶基陶瓷复合纳米纤维固体电解质，为废弃纺织纤维的回收利用提供了新思路，同时也为开发适用于柔性可穿戴电子领域的高性能固体电解质提供了一种低成本、可行的解决方案。相关成果日前发表于国际学术期刊《ACS应用材料与界面》。
腈纶是由聚丙烯腈的丙烯腈共聚物制成的合成纤维。聚丙烯腈的聚合物链中的腈基，是具有高电化学稳定性的典型强吸电子基团，这使得聚丙烯腈聚合物成为制备固态电解质的理想候选材料。
胡毅介绍，腈纶在储能器件中的应用具有可行性，服用腈纶与聚丙烯腈主要成分相同，成本也相对较低。若将废弃服用腈纶替代聚丙烯腈聚合物作为原料应用于储能领域，将实现废弃纺织品的绿色低成本高值化利用。
此次研究中，科研人员对回收得到的废旧腈纶纱（含染色腈纶）进行简单的清洗和干燥处理后，再用洁净的腈纶纱制备出腈纶溶液，继而将锂镧钽锆氧（LLZTO）陶瓷纳米粒子分散在腈纶溶液中，制备腈纶基陶瓷复合静电纺丝前驱体溶液。“电纺已经实现产业化，因此我们选择用电纺技术，获得3D结构的LLZTO/腈纶纳米纤维网络，作为复合固态电解质的填充框架。”胡毅介绍，通过简单的液相组装，科研人员就可将聚合物溶液（PEO-LiTFSI溶液）渗透到复合纤维网络中，得到LLZTO/腈纶复合固态电解质。
科研人员将整个制备过程比作钢筋混凝土的建造过程，在这个制备过程中，腈纶起到了钢筋框架的作用，而聚合物则渗透到复合纤维网络中，相当于混凝土和钢筋框架浇筑成一体。这样制备出的增强型复合固态电解质具有更好的热稳定性、机械性能和电化学稳定性。
近年来，固态电解质的研究成为一项热点。与电解液相比，其在锂离子电导率、提高电化学稳定性等方面均有提升。
此次实验显示，LLZTO/腈纶复合固态电解质表现出较高的离子电导率。由此制成的软包电池可在动态弯曲下稳定工作，而且在极端条件下，能够保持安全稳定运行并可为LED灯持续稳定供电。
胡毅介绍，LLZTO是一种氧化物陶瓷固体电解质，其纳米颗粒均匀分散在连续的LLZTO/腈纶复合纳米纤维中。这种结构不仅避免了LLZTO颗粒的团聚，而且能够形成连续的离子传输路径，还有利于导电聚合物溶液渗透到复合纤维框架中，以形成连续的陶瓷/聚合物界面，最终实现锂金属电池的稳定循环。
胡毅说，演示实验证明了LLZTO/腈纶复合固态电解质在全固态锂金属电池中具备超高安全性，并有望作为柔性储能器件应用到可穿戴电子产品当中。
“传统平面固态电解质制备工艺繁琐，而此次研究的3D结构固态电解质制备过程较为简单。我们其实是用染整（即印染）的思维去做能源储件。”胡毅介绍，制备过程中所用的LLZTO陶瓷纳米颗粒为团队自主研发，价格较低，因此整个制备过程成本相对较低。未来，该研究将有望应用于更多领域。