吉林大学金波、蒋青教授， CEJ观点：阳极-固态电解质协同设计实现超长寿命的钠金属阳极

第一作者：崔孟阳

通讯作者：金波*，蒋青*

单位：吉林大学

钠金属电池（SMBs）被视为下一代能源存储体系的有力候选者，可以解决目前对于高能量密度、高安全性、低成本和环境友好性的能源存储与转换体系的要求。然而，直接使用钠金属作为阳极会产生枝晶状钠，这会损害电池的正常运行。受固态锂金属电池的启发，将固态电解质（SSE）应用于钠金属电池的设计可有效解决这一缺陷。考虑到钠离子的半径较大，使其移动较慢，本研究选取了具有高离子导率的塑料晶体电解质（PCE）作为钠离子输运的主要介质，并根据PCE的本征特性协同设计了复合固态电解质与钠金属阳极。这种独特的电池结构设计能够进一步地引导钠离子的沉积与剥离，从而实现了高稳定性的钠金属阳极。

近日，来自吉林大学的金波教授等人，在知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Efficient sodium ion transport enhanced by anionophilic sites in polymer-supported plastic crystal electrolyte for high performance sodium metal anode”的研究性文章。该文章采用简单的溶液浇注法制备了PP/PVDF/ZIF-67聚合物，进一步的将其作为塑料晶体电解质（SN/NaTFSI）的基体制备了复合固态电解质MPPZ。同时，钠金属在氟代碳酸乙烯酯（FEC）中浸渍获得了NaF包覆的改性钠金属阳极。采用以上两者组装的钠对称电池在0.1 mA cm⁻²/0.1 mAh cm⁻²下表现出长达3000小时的稳定的钠沉积与剥离。

塑料晶体电解质由塑料晶体和金属盐组成，是一种新型快速离子传导固态电解质。丁二腈（SN，N≡C(CH2)2C≡N）是一种具有代表性的非离子型塑料晶体材料，SN具有的高极性和大介电常数使其表现出溶解各种类型金属盐的强大能力。因此，通过将SN与NaTFSI混合制备了在室温下具有10⁻³ S cm⁻¹的高离子电导率的PCE。然而得到的PCE机械性能较差，无法独立使用。在此选择了来自医用外科口罩熔喷布层的三维PP作为聚合物骨架，并在其中初步填充了PVDF和ZIF-67得到了复合聚合物膜用以支撑得到的PCE。其中，加入的ZIF-67富含的Co²⁺可以锚定TFSI⁻来提高电解质的钠离子迁移数。

采用制备的电解质与钠金属组装的Na|MPPZ|Cu在0.5 mA cm⁻²的电流密度下进行循环，展示出较高的库仑效率与循环稳定性。组装的Na|MPPZ|Na具有更高的交换电流密度以及电化学活性，在0.1与0.5 mA cm⁻²的电流密度下都展示出超长的循环寿命。这可归因于以下几个方面：一方面，制备的MPPZ电解质显著改善了Na⁺的输运，实现了高离子导率和高的钠离子传输数。另一方面，ZIF-67中丰富的路易斯酸位点锚定了TFSI⁻，实现了均匀的Na⁺通量分布。此外，在钠金属表面原位形成的NaF层防止了钠引发MPPZ电解质表面SN的聚合。这些优势有助于实现钠金属阳极和MPPZ电解质之间的界面稳定性，从而表现出钠沉积/剥离的长期稳定性。

钠硫电池具有较高的能量密度作为大规模应用的高效储能技术，引起了研究人员的广泛关注。目前，已有一些关于硫化物基固态电解质在室温固态钠硫电池中应用的研究，而基于聚合物电解质的研究较少。因此，本研究使用所制备的固态电解质及钠阳极组装了室温固态钠硫电池，以验证其在实际应用中的可能性。在这里，由于硫的本征导电率极低，将其与嵌有钴纳米颗粒的氮掺杂碳（Co/NC）进行复合制备了阴极材料。其中Co/NC是由含有钴锌双金属的ZIF热解得到的。最终组装的钠硫电池展示出优异的电化学性能，这源于所设计的电解质所具有的高钠离子输运能力，以及电解质-阳极协同设计的独特性。本研究以钠金属电池为例，为构建高性能无枝晶固态碱金属电池提供了一种新的设计方向。

金波教授简介：吉林大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。于2003年2月、2008年6月和12月分获韩国全南国立大学硕士、博士学位和吉林大学博士学位。主要从事新型能源存储/转化材料与器件的研究。在Advanced Energy Materials、Small（3篇）等期刊上，发表学术论文120余篇。获授权发明专利13件。担任Nanomaterials编委。