木材等生物质材料被研究人员看好，并尝试用来解决电池“短命”的问题。蒋志海制图

一棵几米甚至几十米高的树，靠什么把“营养”从根部输送到顶部?研究发现，原来是树木固有的纹孔膜在起作用。而树木的这一特点也让科学家脑洞大开，解决锂金属电池“短命”问题竟有了新点子。

受树木纹孔膜输运调控机制和天然结构的启发，中国林业科学研究院研究员吕建雄团队等，提出天然木材纳米结构用于优化锂金属负极离子分布和沉积行为的创新思路，并首次精准剥离出聚集体薄层，可使电池寿命增加75%以上。研究成果近日发表于ACS Energy Letters。

这些年，研究人员陆续盯上了包括木材在内的生物质材料，以期从大自然中寻求为电池“续命”的解决方案。

向大自然寻求解决方案

续航能力不仅是人们购买电动汽车的考量因素之一，也是电动汽车厂商的“心头病”。综合续航里程、安全性等因素，锂金属电池备受关注。然而，锂离子沉积不均匀却是一大困扰，由此造成电池易短路、寿命短等问题。

研究发现，锂离子浓度不均匀形成“死”锂和锂枝晶，从而导致锂金属电池“短命”。

解决这一问题，要从固态电解质界面膜(SEI)说起。SEI是形成于电池首次充电过程中的钝化膜层，被看成是电池性能和安全性的“关键先生”。

吕建雄团队认为，理想的固态电解质界面膜可以通过空间均匀化锂离子通量和促进锂离子快速迁移来实现均匀的锂离子沉积，从而抑制枝晶的形成，使锂金属负极具备优异的电化学性能。

然而，大多数固态电解质界面膜材料需要昂贵的前驱体和复杂的合成工艺，从而限制其在电池产品中的实际应用。

为了解决这一问题，研究人员另辟蹊径，向大自然寻求解决方案。

《中国科学报》了解到，吕建雄团队以人工杉树为主要研究对象，计划开发出一种可调节锂离子浓度的人工固态电解质界面膜。他们从树木为何具有超长寿命入手分析发现，木材细胞壁加厚产生次生壁时，初生壁上未被增厚的部分形成了纹孔。而纹孔是相邻细胞间水分和养料的通道，纹孔膜在调节相邻细胞离子运输中扮演着重要角色，同时细胞壁的部分结构也起到离子调节的作用。

于是，木材的这一机理启发了研究人员，他们尝试利用木材次生壁的聚集体薄层来替代纹孔膜结构。为此，吕建雄团队首创木材次生细胞壁聚集体薄层精准剥离技术，成功剥离出聚集体薄层，其长度、宽度可达1000mm以上，厚度仅为10nm。进一步研究发现，由聚集体薄层制成的固态电解质界面膜可调节锂金属的沉积和溶解，从而获得稳定高效的锂电池。

值得一提的是，这种聚集体薄层固态电解质界面膜使0.5Ah级锂金属软包电池的循环寿命增加75%以上。

不同种类生物质差异较大

为了验证细胞壁薄层分离技术的普适性，吕建雄团队又从人工杉木拓展到多个不同产地的树种，如日本的柳杉、新西兰的陆均松以及来自日本、英国、印度、阿尔巴尼亚的冷杉属木材，取得了初步效果。

在大自然中，除了木材外，橙皮、草、香蕉皮、杏壳、椰子壳等生物质材料也被研究人员看好，并尝试用来解决电池“短命”的问题。

实际上，研究人员是看中了它们碳元素含量较高。他们通过对这些生物质材料进行表征，进而获得生物质衍生炭材料。华北理工大学冶金与能源学院、现代冶金技术教育部重点实验室教授梁精龙介绍，这些炭材料大多为高