CCS Chemistry | 新方法-原位共聚製備高性能鈉離子電池凝膠電解質

2020-12-05 澎湃新聞

以下文章來源於CCSChemistry ，作者CCS Chemistry

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中科院化學所郭玉國研究員、殷雅俠研究員團隊提出了一種雙單體原位共聚製備三維網絡結構凝膠聚合物電解質的方法，同時構建了基於該新型電解質的鈉離子電池。所得電解質展現出高的室溫離子電導率，良好的熱穩定性和寬的電化學工作窗口。

良好的安全性、熱穩定性以及無液體洩漏是鈉離子電池（SIBs）成為大規模能量存儲體系的基本要求。使用固態或者凝膠電解質（GPE）是解決上述問題的有效策略之一。其中，具有三維網絡聚合物骨架的GPE因其較高的機械強度、高離子電導率、高溫度/壓力穩定性，成為電池製備的理想材料。但是目前3D GPE材料複雜的製備工藝、合成過程環境不友好等問題，成為阻礙開發高安全性固態SIBs的關鍵。

圖1

中國科學院化學研究所郭玉國研究員、殷雅俠研究員團隊提出了原位聚合技術，傳統的基於凝膠聚合物電解質的電池需經過聚合物骨架製備、電解液浸泡以及電池組裝等繁瑣的工藝過程，而原位聚合技術只需在傳統液體電解質中加入聚合單體直接組裝電池即可。作者通過一種自催化策略，在室溫下使用六氟磷酸鈉（NaPF6）作為引發劑，採用兩種單體，即1,3-二氧環戊烷（DOL）和三羥甲基丙烷三縮水甘油醚（TMPTGE）原位共聚（圖1c）製備了具備三維網絡結構的凝膠聚合物電解質。這種方法既克服單純線性聚合體系（圖1a）緩慢的動力學行為所帶來的聚合時間長、熱穩定性差，又解決了單純三維聚合體系（圖1b）空間位阻引起的不完全聚合、過大的剛性等問題。

作者提出的雙單體共聚體系（DOL+TMPTGE）最多只需12h就能獲得良好的凝膠化狀態，而單純的DOL體系即使經過130h的聚合後仍呈流動狀態（圖2a-d）。此外，該工作中快速製備的凝膠電解質還表現出良好的熱穩定性能（圖2e）。

圖2

結合表面分析技術作者對比了所製備的凝膠電解質與傳統液體電解質體系中金屬鈉的界面化學（圖3a&b），揭示了凝膠電解質體系中富NaF界面的存在是鈉枝晶生長被抑制的主要原因（圖3c）。進一步，該研究工作還對鈉離子半電池和全電池行為進行了研究，結果顯示所製備的凝膠聚合物電解質在實際應用方面表現出良好的電化學性質（圖3d&e），具有高達4 V的優異電化學穩定性窗口，具有較高的離子電導率，在室溫下為8.2×10-4 S cm-1，這足以滿足抑制鈉枝晶的生長，從而穩定電解質/鈉陽極的界面。尤其是在抑制鈉離子電池中有限鈉的不可逆消耗方面具有潛在的應用前景。

圖3

該研究工作提供了一種原位製備鈉離子電池凝膠聚合物電解質、抑制鈉枝晶生長和穩定電極/電解質表界面的新方法。該方法不僅克服了傳統凝膠聚合物電解質合成過程對額外設備的依賴，縮短了凝膠電解質的製備時間，而且還簡化了基於凝膠電解質的鈉離子電池製備工藝，有效改善了電極/電解質界面穩定性。所得的GPE具有良好的熱穩定性，室溫下的高離子電導率以及對陰極和陽極（例如金屬鈉陽極）的良好電化學相容性。同時，這種原位共聚的思想豐富了凝膠電解質的合成方法，也適用於改善其它電極/電解質的界面兼容性。

此項研究得到了國家自然科學基金基礎科學中心項目、國家重點研發計劃項目、中科院戰略先導項目以及博士後科學基金的資助。該工作以Research Article的形式發表在CCS Chemistry 2020年第一期。

文章詳情：

In Situ Copolymerizated Gel Polymer Electrolyte with Cross-Linked Network for Sodium-Ion Batteries

Yu-Bin Niu, Ya-Xia Yin, Wen-Peng Wang, Peng-Fei Wang, Wei Ling, Yao Xiao, and Yu-Guo Guo

DOI: 10.31635/ccschem.019.201900055

Citation: CCS Chem. 2019, 1, 589–597

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