扬州大学王钦超、韩杰与上海交通大学李璕琭合作于AFM发表研究：通过Lewis酸调控聚合物-无机界面实现高性能固态钠电池

第一作者：陈昊

通讯作者：韩杰*，李璕琭*，王钦超*

单位：扬州大学，上海交通大学

钠离子电池（SIB）因其钠资源丰富和低成本优势，正逐渐被视为大规模储能的竞争性和互补性候选者。然而，目前采用有机液体电解质的钠离子电池技术仍面临关键挑战，包括钠枝晶形成和可燃性等问题。为有效应对这些挑战，固态金属电池（SSMB）被认为是下一代高能量、高安全性电池技术中最具前景的解决方案。固体聚合物电解质（SPE）因其柔韧性、高安全性以及与电极的良好界面接触等优点而备受关注。其中，聚环氧乙烷（PEO）是固体聚合物电解质中最广泛使用的聚合物基质，钠离子可在其无定形区域进行局部分段运动。然而，PEO 的结晶区域严重阻碍了钠离子迁移，导致其离子电导率较低（室温下为10⁻⁶–10⁻⁷ S cm⁻¹）。此外，PEO中游离阴离子与醚氧基团的相互作用较弱，可能沿与钠离子相反的方向迁移，从而在钠金属界面附近产生强烈且不均匀的空间电荷，最终导致钠沉积不均匀和枝晶形成。

基于此研究背景，扬州大学王钦超、韩杰与上海交通大学李璕琭在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“Leveraging Lewis Acid–Modulated Polymer–Inorganic Interface for High–Performance Solid–State Sodium Batteries”的文章。该文章深入探讨了PEO基固态电解质的钠离子传导机制，并提出了一种创新的界面调控策略：利用暴露在ZnOHF纳米棒(110)和(111)面上的路易斯酸性羟基（−OH）和氟离子（F⁻）。通过调节聚合物-无机界面的路易斯酸强度，显著提高了离子电导率和钠离子转移数，同时有效抑制了钠枝晶的生长。

在PEO基体中加入无机填料是解决聚合物电解质局限性的一种有效策略。无机填料含有大量吸引阴离子的路易斯酸基团，能够提高钠盐的溶解度并降低聚合物的结晶度。研究表明，使用乙二胺四乙酸（EDTA）可有效调节ZnOHF填料的（110）和（111）晶面。EDTA通过与锌离子配位，实现了对纳米棒形态的精确控制，并调节了−OH和F−的路易斯酸强度。ZnOHF纳米棒的（110）面能够暴露更多的−OH基团。

要点二：Lewis酸强度调控聚合物固态电解质

针对钠离子迁移缓慢以及与钠金属负极界面稳定性不足的问题，本研究利用ZnOHF的（110）晶面暴露较多−OH基团的特性，优化了聚合物-无机界面处的Lewis酸相互作用。通过FTIR光谱、XPS和Raman测试表明，ZnOHF−30纳米棒中（110）晶面的−OH基团有效促进了钠盐的解离，并降低了PEO基质的结晶度。这进一步促进了游离钠阳离子与醚氧基团之间更高效的配位，减少了阴离子迁移，并实现了电场的均匀分布。

要点三：ZnOHF（110）和（111）面对钠盐吸附作用

DFT计算结果表明，在ZnOHF的（110）晶面上，每个钠离子可与四个−OH基团相互作用，而在（111）晶面上则与三个−OH和一个F⁻相互作用。此外，（110）晶面具有更低的钠离子吸附能（-2.93 eV），这使其更易于捕获和解离钠离子，从而提升离子电导率和钠离子迁移数。同时，（110）晶面对FSI⁻阴离子的吸附能（-0.51 eV）强于（111）晶面（-0.34 eV），有助于抑制阴离子迁移并优化电场均匀分布。

要点四：Lewis酸强度调控聚合物固态电解质钠离子传导

通过对Zn(OH)F-30填料中−OH 和 F⁻ 基于 Lewis 酸碱理论进行精确控制，所制备 PN@ Zn(OH)F−30电解质实现了多重目标协同改善，工作温度下其导电率为5.74×10⁻⁴ S cm^-1，电化学稳定窗口达至5.12 V，Na|PN@ Zn(OH)F−30|Na对称池能以仅15 mV过电势持续运转1000 h。

要点五：Lewis酸强度调控提升钠固态电池性能

在PEO基聚合物固态电解质中引入ZnOHF−30填料所制备的PN@ZnOHF−30电解质，显著改善了机械性能和电化学性能。采用该电解质的Na₃V₂(PO₄)₃|PN@ZnOHF−30|Na半电池在工作温度下实现了1000次循环，容量保持率达86.6%。在5C倍率下展现出92.1 mAh g⁻¹的比容量。循环200圈后，SEM观察显示钠金属表面保持光滑，这种均匀的钠沉积有效抑制了枝晶形成，从而提升了电池的电化学性能。此外，Na₃V₂(PO₄)₃|PN@ZnOHF−30|NaTi₂(PO₄)₃全电池表现出优异的循环稳定性（400次循环后容量保持率88.1%）。研究证实，通过优化ZnOHF（110）和（111）晶面−OH和F⁻基团的界面调控策略所开发的PN@ZnOHF−30电解质，显著提高了钠离子电池（SIB）和固态金属电池（SSMB）的安全性与电化学性能，展现了其在未来高安全性储能系统中的应用潜力。

Leveraging Lewis Acid–Modulated Polymer–Inorganic Interface for High–Performance Solid–State Sodium Batteries

王钦超，扬州大学特聘教授。2015−2018年在复旦大学取得博士学位，2018−2021年在复旦大学化学系从事博士后研究工作，于2019−2021年到美国Brookhaven National Laboratory化学系访问。2021年加入扬州大学化学化工学院，创立扬州大学电化学储能团队。主要研究锂离子电池和钠离子电池正极材料、固态电解质，利用同步辐射X射线技术研究二次电池储能机理。主持完成国家自然科学基金青年项目、博士后面上基金、江苏省双创博士、江苏省科技副总，在J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Adv. Energy Mater.、 Adv. Sci.、 Energy Storage Mater.、等期刊以第一作者或通讯作者发表多篇SCI论文，H指数31。

陈昊，扬州大学化学与化工学院，硕士研究生，主要研究钠离子聚合物固态电解质，2023年获得江苏省研究生科研与实践创新计划与项目资助。

扬州大学化学与化工学院电化学储能团队（EES）主要研究锂离子电池、钠离子电池、水系锌离子电池等二次电池；聚焦可充电二次应用过程中的理论和实际问题，致力于开发高能量密度，超长循环稳定和经济的二次电池；运用先进的同步辐射X射线表征技术研究二次电池储能机理，推动高性能锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池和固态电池的应用和发展；开发高效环保经济的能源催化材料。