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  隨著我國紡織品年均消耗量的快速增長，導致廢舊化纖制品被當作垃圾處理而造成的環(huán)境污染問題日益凸顯，其中與人們日常生活緊密相關的宏量廢舊服用腈綸紡織品（包括廢舊腈綸毛衣、毛線、紗線和纖維等）的循環(huán)再利用，已經成為國內外關注的焦點。當前，廢舊服用腈綸主要通過化學法循環(huán)再利用，即把腈綸廢絲聚合物中的腈基，經無機酸、堿、加熱或加壓等化學方法進行水解，轉變?yōu)闃O性較強的羧基和酰胺基等親水基團，進而形成丙烯酰胺和丙烯酸的無規(guī)共聚物，而非以纖維狀態(tài)再生使用，由此造成當前服用腈綸回收利用工藝復雜、價值偏低。因此，廢棄服用腈綸基納米纖維的綠色簡單制備，成為廢棄紡織品高值化利用的一個重要研究方向。

  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（PAN）因其優(yōu)良的抗氧化性而被廣泛用于紡織納米纖維、高品質碳纖維等領域。并且，其聚合物鏈中的腈基（C≡N）是具有高電化學穩(wěn)定性的典型的強吸電子基團，促使PAN聚合物成為制備固態(tài)電解質的理想候選。進而為腈綸在儲能器件中的應用提供可行性。更為重要的是，服用腈綸與PAN主要成分相同，但其成本相對較低。因此，若將廢棄服用腈綸替代PAN聚合物作為原料應用于儲能領域，將實現(xiàn)廢棄紡織品的綠色低成本高值化利用。

  鑒于此，浙江理工大學胡毅和美國特拉華大學付堃基于紡織化學與染整工程專業(yè)基礎和柔性儲能技術，報道了一種以廢棄腈綸紗線為再生纖維原材料，將廢棄服裝腈綸紗線進行溶解，通過電紡技術將LLZTO陶瓷納米粒子負載到腈綸基納米纖維中，構建出具有3D纖維網絡增強的腈綸基陶瓷復合納米纖維固體電解質（LLZTO/腈綸電解質）。利用密度泛函理論(DFT)和電荷差分布(CDD)計算研究了腈綸基聚合物纖維與LLZTO納米粒子之間的相互作用。計算結果顯示腈綸纖維與LLZTO之間增強的界面相互作用將有助于促進LLZTO填料和聚合物之間快速連續(xù)的Li⁺遷移路徑的建立。LLZTO/腈綸納米纖維框架的引入不僅提供了3D連續(xù)離子傳導路徑，而且還提高了LLZTO/腈綸電解質的熱穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性（Li/Li電池穩(wěn)定2350h不短路）。柔性LLZTO/腈綸電解質表現(xiàn)出更高的離子電導率（50 °C時為 3.61 × 10^-4 S cm^-1）和電化學穩(wěn)定性（5.44 V vs. Li⁺ /Li）。具有LFP正極的全固態(tài)電池表現(xiàn)出高可逆容量（0.2 C，150次循環(huán)后為159.9 mAh g^-1）。本研究為開發(fā)適用于柔性可穿戴電子領域的高性能固體電解質提供了一種低成本、可行的解決方案，也為廢棄紡織纖維的回收利用提供了新的研究思路。相關工作以“A Three-Dimensional Fiber-Network-Reinforced Composite Solid-State Electrolyte from Waste Acrylic Fibers for Flexible All-Solid-State Lithium Metal Batteries” 為題發(fā)表在國際著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上，影響因子9.5，DOI：10.1021/acsami.3c08335.

  研究顯示，LLZTO/腈綸復合電解質表現(xiàn)出較高的離子電導率（50 °C時為 3.61 × 10^-4 S cm^-1）。利用密度泛函理論(DFT)和電荷差分布(CDD)計算研究了腈綸基聚合物纖維與LLZTO納米粒子之間的相互作用。計算結果顯示腈綸纖維與LLZTO之間增強的界面相互作用將有助于在LLZTO填料和聚合物之間建立快速且連續(xù)的Li⁺遷移路徑。

圖4：（a）采用LLZTO/腈綸電解質制成的柔性全固態(tài)鋰金屬軟包電池的結構示意圖，（b-f）軟包電池的柔性和為電子產品供電的照片，（g）柔性軟包電池的安全性能測試。

  本文利用廢棄服裝腈綸紗線（或染色腈綸紗線）作為再生纖維的原材料，構建了3D腈綸基陶瓷復合納米纖維固態(tài)電解質。LLZTO/腈綸納米纖維框架的引入不僅提供了3D連續(xù)離子傳輸路徑，而且還提高了LLZTO/腈綸電解質的熱穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性。柔性LLZTO/腈綸電解質表現(xiàn)出較高的離子電導率（30°C時為1.01 × 10^-4 S cm^-1，50°C 時為3.61 × 10^-4 S cm^-1）和電化學穩(wěn)定性（5.44 V vs. Li⁺ /Li）。此外，由復合電解質組成的鋰對稱電池能夠穩(wěn)定循環(huán)2350 h。具有LFP正極的全固態(tài)電池表現(xiàn)出高可逆容量（0.2 C，150次循環(huán)后為159.9 mAh g^-1）。更重要的是，柔性鋰金屬軟包電池在不同物理條件下仍能安全穩(wěn)定運行。這項工作為開發(fā)可用于柔性電子器件的高性能復合固體電解質提供了低成本且可行的解決方案。這項工作利用廢棄腈綸纖維的想法在羊毛、棉花和合成纖維等纖維類廢物的高值化回收和利用方面具有巨大的潛力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c08335