开发兼具“三高”(即高离子电导率、高电化学窗口、高安全性)的新型高性能聚合物固态电解质,是钠金属电池领域研究难点之一。在前期聚合物电解质研究中,采用丁二腈作为塑化剂的固态塑晶型电解质,利于改善上述的“三高”性能而受到广泛关注。然而,受限于丁二腈还原稳定性欠佳且电荷分布不均衡,导致其在钠金属负极侧难以形成稳定SEI,且Na+在固态塑晶型电解质体相中的传输机制尚不明晰。针对上述问题,大连理工大学胡方圆教授从聚合物结构/功能一体化角度出发,提出了“双相共存”双通道加速Na+传输新策略,利用分子间偶极-偶极相互作用,优化了SEI组成成分,改善了Na+在SEI中传输动力学过程,实现了Na+在电解质体相高效传输。
图1. 电解质中离子传输机制和相互作用示意图 采用富含酯基结构的聚合物单体与丁二腈基深共晶电解质进行原位固化,创制出新型高性能本征阻燃的固态塑料晶体电解质(SPCE-9)。通过合理化调控聚合物的分子结构和比例,可有效避免潜在的相分离行为和过高交联密度导致的电解质体相中Na+传输动力学缓慢难题,进而构筑出“双相共存”Na+传输双通道。具体而言,Na+既可在基于丁二腈连续相形成的稳定配位结构进行传输,又可利用聚合物链段上丰富的C-O-C和C=O位点进行迁移,因此有效改善了Na+在电解质体相的传输动力学过程。该新型聚合物电解质具有高离子电导率(1.8 mS/cm)、稳定的电化学窗口(4.6 V);构筑的Na/SPCE-9/NVP电池,具有优异电化学性能,即在2C下,其循环寿命超过5000次。 图2. 新型固态塑晶型聚合物电解质的设计思路 DFT计算结果表明,丁二腈的电荷分布不均衡是α-H附近电子云密度过低所导致。此外,由于丁二腈的LUMO能级较低,导致其对负极侧的还原稳定性较差。因此,利用聚合物骨架的供电子基团可与α-H之间形成分子间相互作用,可有效缓解丁二腈SN分解,并利于生成富含无机物的SEI,进而确保Na/SPCE-9/NVP电池稳定运行。该策略既优化了Na+界面传输动力学过程,又改善了材料循环稳定性。 图3. DFT计算揭示分子间锁定作用机制 综上所述,该工作基于新型高性能聚合物电解质的理性设计,优化了Na+在界面和体相的输运行为,揭示了Na+在聚合物电解质中的“双相共存”传输机制,解决了丁二腈在钠金属负极侧发生副反应的难题,为开发新型高性能钠金属电池用聚合物电解质,提供了可咨借鉴的新思路。 论文信息 Rapid Na+ Transport Pathway and Stable Interface Design Enabling Ultralong Life Solid-State Sodium Metal Batteries Dr. Chang Su, Dr. Yunpeng Qu, Dr. Naiwen Hu, Dr. Lin Wang, Dr. Zihui Song, Dr. Mengfan Pei, Dr. Runyue Mao, Dr. Xin Jin, Dr. Dongming Liu, Prof. Xigao Jian, Prof. Fangyuan Hu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202418959