- 江南大學(xué)劉天西/陳蘇莉AFM：防火凝膠聚合物電解質(zhì)助力無枝晶高穩(wěn)定鈉金屬電池
- 發(fā)布日期：2023-08-09
采用凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）的鈉金屬電池（SMB）具有理論容量高、生產(chǎn)成本低的特點，被視為高能量密度電池的理想候選材料。然而，凝膠聚合物電解質(zhì)固有的易燃性以及因機(jī)械性能和界面穩(wěn)定性較差而導(dǎo)致的不受控制的鈉枝晶阻礙了其實際應(yīng)用。
近日，江南大學(xué)劉天西教授、陳蘇莉副教授通過化學(xué)接枝偶聯(lián)策略設(shè)計了一種陰離子捕獲型防火復(fù)合凝膠電解質(zhì)（AT-FCGE），其中用作納米交聯(lián)劑和陰離子捕獲劑的功能化氮化硼納米片（M-BNN）與聚（偏氟乙烯-共-六氟丙烯）基質(zhì)中的聚（乙二醇）二丙烯酸酯偶聯(lián)，以加速Na+傳輸并抑制枝晶生長。實驗和計算研究表明，具有豐富路易斯酸位點的M-BNNs的陰離子捕獲效應(yīng)可促進(jìn)鹽的解離，從而顯著提高離子電導(dǎo)率和Na+傳輸數(shù)。同時，高交聯(lián)半互穿網(wǎng)絡(luò)的形成可在不犧牲機(jī)械性能的前提下有效地原位封裝不易燃的磷酸鹽。因此，AT-FCGE在Na+傳導(dǎo)性、機(jī)械性能和優(yōu)異的界面穩(wěn)定性方面都有顯著提高。結(jié)果，AT-FCGE使Na/Na對稱電池實現(xiàn)了無枝晶的長期穩(wěn)定性，并在固態(tài)SMB中展示了突出的電化學(xué)性能。總體而言，該方法為阻燃凝膠電解質(zhì)在高性能SMB及其他領(lǐng)域的巨大潛力提供了更廣闊的前景。
文章要點：
1. 這項工作通過接枝偶聯(lián)策略構(gòu)建了具有優(yōu)異界面穩(wěn)定性的陰離子捕獲防火復(fù)合凝膠電解質(zhì)（AT-FCGE），其中氮化硼納米片（BNN）與聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）通過硅烷偶聯(lián)劑在聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯（PVDF-HFP）基體中化學(xué)偶聯(lián)。
2. 接枝偶聯(lián)的實施可形成高度交聯(lián)的半互穿網(wǎng)絡(luò)，從而在不犧牲GPE機(jī)械性能的情況下原位封裝不易燃的磷酸鹽。此外，由于硼具有豐富的路易斯酸位點，作為陰離子捕獲劑的BNNs能有效促進(jìn)鈉鹽的解離，限制陰離子在電解質(zhì)中的移動，從而實現(xiàn)快速的Na+遷移能力和較小的濃度梯度。
3. 憑借這些優(yōu)勢，AT-FCGE具有優(yōu)異的離子電導(dǎo)率、較高的Na+遷移數(shù)、更強(qiáng)的機(jī)械性能和界面穩(wěn)定性。理論計算和分子動力學(xué)模擬證實了 AT-FCGE 中 Na+ 的快速遷移機(jī)制。
4. 采用AT-FCGE的Na/Na對稱電池實現(xiàn)了超穩(wěn)定的無枝晶循環(huán)，在0.1 mA cm-2條件下循環(huán)壽命超過1000小時。此外，采用AT-FCGE的固態(tài)SMB在2 C下循環(huán)1000次后顯示出87.8%的高容量保持率，為設(shè)計高性能阻燃GPE提供了啟示。
