由于钠元素与锂元素相似的物理化学特性和丰富的储量，钠离子电池有望部分取代锂离子电池，在电动摩托车、低速电动汽车和大规模储能领域具有巨大的应用潜力。然而，钠离子电池依然饱受电解液易燃易漏问题的困扰，并且在低温条件下，离子传输动力学缓慢，极大限制了电池的正常运行。采用不可燃的固态电解质组装固态钠金属电池认为是解决安全隐患以及实现更高能量密度的途径。然而全固态电池还有许多技术障碍短时间内难以克服。
准固态电解质介于液态电解液和固态聚合物电解质之间，能够充分结合二者的优势，在保证离子传输的同时能够实现高安全性。然而，目前所研究的准固态电解质仍面临低温下离子传输缓慢，与金属钠界面相容性差等问题，这极大地限制了固态钠电池的应用场景及发展。
基于此，我实验室团队与郑州大学唐宾副研究员、周震教授合作设计了一种能够实现极端条件下稳定运行的准固态电解质。该准固态电解质以聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-HFP)作为聚合物基体，并使用碳酸二甲酯(DMC)代替传统的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或者N-甲基吡咯烷酮(NMP)等有害溶剂，极大减少了残余溶剂与金属钠负极之间的副反应。同时引入适量碳酸丙烯酯(PC)在电解质内部构筑离子传输环境，以及功能化添加剂三氟甲磺酸亚锡(Sn(OTf)2)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)实现快速离子传输和优异的界面稳定性。所制备的准固态电解质室温下具有0.42 mS cm–1的离子电导率和0.58的离子迁移数。电解质与金属钠负极的界面阻抗由5000 Ω cm2降为104 Ω cm2。Na/Na对称电池在0.2 mA cm–2的电流密度下能够稳定循环3000小时，即使在1 mAcm–2的大电流密度下仍能保持稳定循环。电化学阻抗谱、固体核磁以及弛豫时间分布分析证明，Sn(OTf)2的加入能够引发PC的开环反应，从而在电解质内部及电解质/电极界面提供快速离子传输通道，并且FEC和Sn(OTf)2的引入能够形成富含金属锡和NaF的稳定界面层。与磷酸钒钠正极组装的准固态钠电池在–20~60℃的宽温度范围内均能实现稳定的循环。组装的软包电池也进一步证明其实用化前景。该工作为实用化准固态钠电池的设计提供了一种可行的路线。
该成果发表于Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2407713，第一作者为南开大学材料科学与工程学院博士研究生杨振东，通讯作者为郑州大学化工学院唐宾副研究员与周震教授。该工作得到了国家重点研发计划项目的资助。
第一作者简介
杨振东，山东烟台人。2019年本科毕业于中国石油大学(华东)理学院化学专业，同年保送南开大学材料科学与工程学院，现为材料物理与化学专业博士研究生。已在Advanced Functional Materials等期刊发表第一作者论文3篇。主要研究方向为固态电解质及固态钠电池。
通讯作者简介
唐宾，山东青岛人，2016年本科毕业于中国海洋大学应用化学专业，同年保送南开大学材料科学与工程学院，2021年获得材料物理与化学专业博士学位，并加入郑州大学化工学院，任直聘副研究员，从事全固态锂电池、钠电池及固态电解质-电极界面研究。以第一或通讯作者作者在eScience、Mater. Today和Adv. Funct. Mater.等期刊发表论文6篇。
周震，山东龙口人。郑州大学化工学院院长、二级教授、博士生导师，“长江学者”特聘教授。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究。通过高通量计算、机器学习与实验相结合开展新能源研究。在国内外期刊发表论文350余篇。论文被引用43000余次，h-index为119。2014-2023年连续10年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2023年连续6年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy and Environment等期刊副主编、Journal of Power Sources编辑、Interdisciplinary Materials学术编辑以及Batteries & Supercaps和《电化学》等七本期刊编委以及中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。