中南大学，AEM：精准界面调控实现高倍率、长寿命聚合物基钠金属固态电池

第一作者：赵乐

通讯作者：王海燕*

单位：中南大学

钠金属固态电池在能量密度、可持续性、碳足迹和安全性方面均展现出优越特性，使其成为锂电池的有力补充方案。在固态电池中，固态电解质对整体电化学性能具有决定性影响。在众多选择中，聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）基聚合物电解质因其高介电常数、高离子电导率和优异的柔韧性而具有良好的应用前景。本篇观点揭示了PVDF-HFP基钠金属固态电池的失效原因，并在此基础上提出了有效的优化策略。本文为PVDF-HFP基固态电解质在钠金属中的应用提供了创新解决方案，有助于加速其实际应用。

近日，来自中南大学的王海燕教授在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Precise Interfacial Regulation Achieving High-Rate and Long-Life Polymer Solid-State Sodium Metal Batteries”的观点文章。该观点文章揭示了PVDF-HFP基电解质中残留DMF诱导负极界面的失效机制，同时提出了一种精准界面调控策略，有效提升了PVDF-HFP基电解质与钠金属之间的稳定性，固态钠金属电池表现出优越的电化学性能。

然而，使用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作溶剂制备PVDF-HFP基电解质时，即便经过严格热处理，仍会残留微量DMF，为突破上述限制，我们提出了一种精准界面调控策略，在钠金属表面引入与电解质中残留DMF比例为1：1的微量FEC，构建多层无机物梯度结构的高稳定性SEI，提升了PVDF-HFP基电解质与钠金属之间的稳定性，奠定了固态钠电池优异电化学性能的基础。

1.采用简单的溶液浇注法制备了一系列不同残留DMF含量的PVDF-HFP基钠固态电解质。建立了残留DMF含量与PVDF-HFP基钠固态电解质之间的相关性，揭示了PVDF-HFP基电解质在钠金属固态电池中的失效机制。电解质中的残留DMF虽然对电解质的离子电导率具有贡献作用，但同时容易与高活性钠金属发生反应，造成电解质膜内部结构失衡，继而残留DMF、TFSI-、PVDF-HFP与钠金属之间持续发生链式副反应，造成钠金属表面形成不规则且较厚的SEI，界面处阻抗大，离子传输动力学差，表现为电池开路失效。

2.通过向钠金属表面添加微量氟代碳酸亚乙酯（FEC）来稳定钠固态电池负极界面，当控制FEC与残留DMF的质量比为1:1时，FEC与DMF在界面处发挥最佳协同效应，构建了一个利于离子传输的薄而均匀的梯度结构SEI，成功阻断PVDF-HFP、DMF、TFSI-与钠之间的持续副反应。

3.组装的对称电池在0.1 mA·cm^–2条件下可实现超过800h的稳定循环，临界电流密度为1.9 mA·cm^–2。以NVP为正极构建的固态钠金属全电池在15 C倍率下容量高达93.8 mAh·g^-1，在1 C倍率下循环1000次后容量保持率达93.3%，在-20℃的低温条件下仍保持优异性能（0.2C循环350次容量保持率94.7%），同时，组装的软包电池具有很好的柔韧性，实施破坏性实验时不起火不冒烟，成功实现了12V双极性电池的制备。

“Precise Interfacial Regulation Achieving High-Rate and Long-Life Polymer Solid-State Sodium Metal Batteries”