中北大学张锦芳CEJ：二氧化硅交联固态电解质助力高性能钠金属电池

第一作者：张锦芳

通讯作者：张锦芳*，李晓峰*，夏庆兵*

单位：中国中北大学，澳大利亚昆士兰大学

锂电池的应用受限于锂资源的高成本和有限储量。钠电池因其丰富的钠资源以及与锂电池相似的工作原理，被视为有潜力的替代方案，但面临电极材料容量低和液态电解质易燃等问题。采用钠金属负极（理论比容量高达 1165 mAh g⁻¹）和固态电解质组装的固态钠金属电池，有望解决这些问题。其中，固态聚合物电解质（SPE）凭借其高安全性和易成膜特性备受关注。固态聚合物电解质中钠离子传输依赖于聚合物链段的运动。聚氧化乙烯（PEO）基 SPEs 因其优异的金属离子溶剂化能力被广泛研究，但其高结晶度和链段活动性差导致离子电导率较低。无机纳米粒子（如二氧化硅 SiO₂）可有效抑制聚合物基体的结晶并构建界面离子传输通道，从而提升电导率。然而，传统的物理共混法易导致 SiO₂ 团聚，且其与聚合物基体的界面相容性差，影响离子传输效率。此外，SiO₂ 表面的羟基等化学官能团对钠离子传输动力学的影响机制尚不明确。

近日，来自中北大学的张锦芳副教授、李晓峰教授与昆士兰大学夏庆兵研究员合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Silica-Centered Crosslinking Solid Polymer Electrolyte for Sodium Metal Batteries”的观点文章。用固态聚合物电解质（SPEs）替代易燃的液态电解质可显著提高电池安全性。该观点文章报道了一种在二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒表面化学接枝聚合物链段制备交联聚合物电解质的方法。这一创新设计不仅确保了SiO₂纳米颗粒在聚合物基体中的均匀分散，还在纳米填料与聚合物基体之间构建了稳固的界面，从而提高了Na⁺离子电导率。同时，该设计利用了SiO₂纳米粒子表面丰富的羟基（OH）基团，通过路易斯酸碱相互作用和氢键与钠盐ClO₄⁻阴离子发生作用，促进了钠盐的解离。理论计算证实了这些界面作用机制，并揭示Na⁺扩散系数提高了5.6倍。因此，采用SiO2纳米粒子作为交联中心开发的交联固态聚合物电解质，显著提高了钠金属电池的电化学性能。

通过化学接枝将SiO₂纳米粒子与聚合物链段结合，可形成稳定的化学键连接。相较于传统的物理混合，这种化学键合作用使纳米粒子与聚合物基体的结合方式发生根本转变，能有效避免SiO₂因范德华力等作用而团聚，确保其在基体中的均匀分散。这种均匀分散状态不仅能最大化纳米粒子的界面效应，更能有效破坏聚合物原有的结构有序性，显著降低结晶度，显著提升钠离子传输效率。

采用TPA作为连接体桥接SiO₂纳米颗粒与PEGMEM聚合物基体，有效解决了二者界面相容性差的难题。TPA分子两端可分别与SiO₂表面基团和PEGMEM聚合物链段形成化学键接，构建稳定的过渡层，消除界面缺陷和空隙。这不仅增强了界面结合力，提升了电解质的力学性能，更保证了离子在界面处的顺畅传输，避免了因界面阻抗过大而导致的电池性能下降。

SiO₂表面富含羟基（OH），这些羟基可作为路易斯酸性位点，与电解质中的ClO₄⁻阴离子发生强相互作用（包括路易斯酸碱相互作用和氢键）。该相互作用显著削弱了ClO₄⁻与Na⁺间的库仑引力，促进钠盐解离，从而增加自由Na⁺浓度。自由Na⁺数量的增加直接提高了离子迁移速率，显著提升了固态聚合物电解质的钠离子电导率。

综上，我们成功开发了以 SiO₂ 为交联中心的新型聚合物电解质 (SiO₂@TPA-co-PEGMEM)。该设计通过化学键合实现 SiO₂ 纳米颗粒的均匀分散，有效抑制了团聚并改善了填料-聚合物界面相容性。这不仅降低了聚合物基体结晶度，还利用 SiO₂ 表面羟基锚定 ClO₄⁻ 促进钠盐解离，协同提升 Na⁺ 电导率。所得电解质展现出显著增强的离子导电性、优异电化学稳定性及良好钠金属相容性。基于该电解质的固态钠电池实现了无枝晶钠沉积、高倍率性能和出色的高温循环稳定性 (80°C)。本工作为高性能固态电池的电解质设计提供了新策略。

“Silica-Centered Crosslinking Solid Polymer Electrolyte for Sodium Metal Batteries”

张锦芳副教授简介：中北大学，材料科学与工程学院，副教授。主要研究方向为锂/钠电池及关键材料研究。主持参与国家自然/面上科学基金、山西省国际合作项目、山西省基础研究等10余项项目；以一作或通讯在Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名期刊发表SCI论文20余篇，其中ESI高被引论文1篇，单篇最高引用118次，申请发明专利10项，已授权8项。

李晓峰教授简介：中北大学，材料科学与工程学院，教授。入选教育部高层次青年人才，兼任中国有色金属学会青年工作委员会委员、山西省粉末治金产业技术联盟理事长等学术职务。兼任教育部学位论文评审专家、国家自然科学基金委等评审专家；兼任中国有色学报中/英文版、粉末冶金材料科学与工程、Material & Design、Journal of Materials Science等国内外期刊审稿人。研究方向为粉末冶金特种新材料开发与研究。近5年主持3项国家自然科学基金及10余项省级项目。曾获山西省自然科学二等奖（第1）、有色金属学会二等奖（第2。以一作/通讯发表SCI论文30余篇，其中高被引论文4篇，授权专利10余项、申请20余项，多次在学术会议做特邀报告并任分会主席。

夏庆兵研究员简介：现任澳大利亚昆士兰大学研究员，长期从事低成本高性能电池关键材料、固态电池及电池原位表征技术的研究工作。近年来在 Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials 等国际顶级期刊发表论文45余篇，参与/主持澳大利亚研究理事会（ARC）及澳大利亚核科学技术组织（ANSTO）科研项目15项以上。现任 EcoEnergy 青年编委，并长期担任 Energy & Environmental Science、Joule、Nature Communications 等二十余种国际学术期刊审稿人。