王连洲教授、Ruth Knibbe，EnSM研究文章：异质三明治结构锁定电池安全，提高固态钠电池能量密度- 大数跨境

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王连洲教授、Ruth Knibbe，EnSM研究文章：异质三明治结构锁定电池安全，提高固态钠电池能量密度

科学材料站

2021-06-09

导读：该观点文章设计了三明治异质结构的复合电解质，电化学窗口拓宽到5V

文章信息

异质三明治结构锁定电池安全，提高固态钠电池能量密度

第一作者：冉令兵

通讯作者：王连洲*，Ruth Knibbe*

单位：澳大利亚昆士兰大学

研究背景

聚合物固态电解质相比传统的液态电解液具有更好的热稳定性，并且相比陶瓷电解质更易于大规模生产，因此被认为是非常有吸引力的下一代电解质材料。但是，为了匹配高压正极材料，单一的聚合物并不能满足这一应用。同时，聚合物的抑制枝晶的能力还是受限于本身材料低的机械性能。

本研究设计了一个三明治结构的异质聚合物电解质，具有高抗氧化的PAN在正极侧，抗还原的PEO在负极侧。拓宽稳定电化学窗口到5 V。同时原位形成的中间致密层进一步提高了抑制枝晶穿透的能力。组装的固态电池展现了优秀的电化学性能。

本文为设计高能量密度的安全固态电池提供了方向，有助于加速复合固态电解质领域的研究及实际应用。

文章简介

近日，来自昆士兰大学的王连洲教授和Senior lecturer Ruth Knibbe在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Enhanced Safety and Performance of High-Voltage Solid-State Sodium Battery through Trilayer, Multifunctional Electrolyte Design”的研究文章。

该观点文章设计了三明治异质结构的复合电解质，电化学窗口拓宽到5V。外侧的聚合物降低了界面阻力，原位形成的中间致密层进一步提高了抑制枝晶穿透的能力。和Na3V2(PO4)2F3组成的固态电池展现了优异的电化学性能。

图1. 复合聚合物电解质设计过程。

图2. 全电池示意图和性能对比。

本文要点

要点一：电导率的提高

在这种夹心三明治结构（图 1d）中，3D 互连 NZSP和聚合物基质之间可以形成连续界面—促进钠离子的快速扩散。此外，3D 互连 NZSP 框架提供了长距离和连续的快离子路径（黄色实线箭头）。因此，获得了高离子电导率。

SCE 电子电导率也通过直流 (DC) 极化测量。获得了 1.48×10-8 S cm-1 的非常低的电子电导率，比离子电导率低 4 个数量级，表明 Na+ 电导率在样品电导率中占主导地位。

要点二：界面电阻的降低和电化学窗口的提高

SE骨架是通过固态反应合成的。为了形成 SCE（图 1d），集成 3D 结构的两个多孔侧面被 PAN 或 PEO 渗透。填充有 PAN 的多孔侧可以在高电压下承受氧化，而填充有 PEO 的多孔侧可以在低电压下承受 Na 金属的还原。

要点三：全固态电池性能展示

通过将高压 Na3V2(PO4)2F3 与这种强大的 SCE 相结合生产了一种高压 SSSIB，它显示出令人印象深刻的倍率性能和较长的循环寿命。在 460 次循环后获得 94 mAh g-1 的容量，容量保持率为 81%。

更重要的是，这种独特的结构中密集的中间层让这个SCE的安全性得到了保证。此外，可以通过优化厚度和面积来进一步提高 SCE，这对于低速电动汽车、电网储能等实际应用很重要。这项工作显然为设计具有稳定和亲密界面的超安全、高压固态电池提供了一种很有前景的策略。

文章链接

Enhanced Safety and Performance of High-Voltage Solid-State Sodium Battery through Trilayer, Multifunctional Electrolyte Design

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721002531?via=ihub#fig0001

通讯作者介绍

王连洲（Lianzhou Wang），昆士兰大学化工学院教授和澳大利亚桂冠教授。

澳大利亚纳米材料研究中心（Nanomac）主任，澳大利亚生物工程与纳米技术研究所（AIBN）兼职课题组长。主要从事半导体纳米材料的合成及其在清洁能源领域的应用，2018年底其团队创造了新型量子点太阳能电池效率的世界记录，认证转换效率达16.6%。先后在诸多国际学术期刊发表论文400余篇，承担或参与了澳大利亚基金委、澳洲科学院、昆士兰州政府以及工业界等40余项竞争性研究项目。先后获得澳洲基金委女王伊丽莎白学者，未来学者和桂冠学者称号，昆士兰大学研究优秀奖及优秀研究生导师奖，澳洲寻找未来之星奖，国际化工学会杰出研究奖等，入选澳洲基金委专家委员会和英国皇家化学会会士，科睿唯安“高被引科学家”等。任澳洲材料科学与工程全国委员会副主任。

个人主页: http://researchers.uq.edu.au/researcher/1479

Ruth Knibbe Senior lecturer。

研究兴趣是能量产生和储存材料，特别是电化学和电子显微镜. Ruth Knibhe于 2007 年从昆士兰大学获得化学工程博士学位。完成博士学位后，在 DTU-Energy（丹麦技术大学）工作了 4 年，随后在惠灵顿维多利亚大学的罗宾逊研究所工作了 5 年。其兴趣涉及：表征燃料电池和电池材料的原位方法、机器学习在新材料设计中的应用、锂硫电池系统新材料的开发以及了解燃料电池和电池系统的降解机制。

个人主页: https://researchers.uq.edu.au/researcher/14750

第一作者介绍

冉令兵，昆士兰大学博士。

拥有十年锂/钠离子电池材料实验室研发经验，三年电池安全测试评估工业经验。目前研究固态钠离子电池。凭借从前端电池材料研发到末端电池系统安全评估经验，致力于探索更安全，更高性能的电化学储能系统(固态电池，锂电，钠电)。