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《AM》：超薄无孔聚合物隔膜实现无枝晶钠电池

文章来源：高分子科学前沿更新时间：2023-02-21 15:06:13

由于资源丰富且成本低廉，钠储能电池是不断增加的下一代大规模储能系统之一。然而，由于负极上与枝晶有关的危害，它们的可行性受到了严重的阻碍。

鉴于此，郑州大学陈卫华教授制备了一种由蜂窝状结构纤维组成的新型超薄（8微米）外部无孔隔膜，以用于均匀的Na沉积和抑制枝晶渗透。研究显示，蜂窝状结构的纤维具有巨大的电解液吸收能力（376.7%）和聚合物固有的传输能力，这使无阻碍的离子传输大大受益。此外，由聚醚砜和聚偏二乙烯组成的极性聚合物链通过大量的溶剂固定化定制了电解液的高度聚集溶剂化结构，实现了离子传导性增强的富无机固体电解质界面的耐久性。此外，凭借所设计隔膜的可靠机械强度，组装的钠离子全电池提供了显著提高的能量密度和高安全性，从而在切割和轧制条件下实现了稳定的操作。另外，所制备的隔膜可以进一步推广到锂基电池中，对于这些电池来说，可以获得明显的枝晶抑制和循环性，从而证明了其实际应用的潜力。

文章要点：

1. 这项工作以聚醚砜（PES）和聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）为原料，通过主导化学成分和结构之间的协同效应，制备了一种精心设计的超薄外部无孔隔膜（记为SPF）。

2. 所制备的隔膜不仅具有良好的热稳定性，而且具有较高的机械坚固性。它的无孔特性有力地抑制了枝晶的渗透。此外，极性SPF隔膜和溶剂之间的化学作用使电解液中出现贫溶剂的溶剂化结构，从而诱导无机物富集的界面形成，这有利于Na的均匀沉积。

3. PES和PVDF-HFP之间的氢键构建了SPF纤维内部的蜂窝状结构，以及聚合物链的无定形区域，使得无阻碍的离子传输大大受益，DFT计算证实了其与Na+的结合能量增强。

4. 因此，采用功能化SPF隔膜的电池提供了更高的能量密度和安全性。组装的硬碳|NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2软包电池达到了更高的能量密度（无SPF隔膜vs采用SPF隔膜：229.4 Wh kg-1/157.6 Wh L-1 vs 71.8 Wh kg-1/86.1 Wh L-1）和显著的稳定性能，即使在空气中切割时也能运行。SPF隔膜的通用性也在锂基电池中得到了验证，例如，Li4Ti5O12|LiFePO4软包电池在100次循环后有97.4%的容量保留，Li|LiFePO4电池在80次循环后没有明显的容量衰减。

图1 SPF隔膜的结构和物理特性

图2 SPF隔膜中的离子转移机制

图3 具有SPF隔膜的电极的界面化学

图4 SPF隔膜在钠电池中的应用

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