《Small》：MOF基纤维网络增强聚合物复合电解质助力高性能全固态钠金属电池

Achieving Ultra-Stable All-Solid-State Sodium Metal Batteries with Anion-Trapping 3D Fiber Network Enhanced Polymer Electrolyte

Junhong Guo, Fan Feng, Shiqiang Zhao, Rui Wang, Meng Yang, Zhenhai Shi, Yufeng Ren, Zifeng Ma, Suli Chen*, Tianxi Liu*

Small 2023, DOI: 10.1002/smll.202206740

全固态钠金属电池因具有安全性好、能量密度高以及成本低廉等优势，在未来的储能市场中占据有利地位，是下一代大规模储能系统的最佳候选者。与无机陶瓷电解质相比，固态聚合物电解质（SPE）具有更优异的柔韧性，易于加工制备，并且易于形成紧密的电极/电解质界面，被认为是有望率先突破商业化瓶颈的固态电解质体系。然而，SPE较低的离子传导率和钠离子迁移数极大限制了其实际应用。此外，SPE与金属钠负极界面兼容性差的问题加剧了钠枝晶的生长，成为限制其商业化的另一瓶颈。因此，开发兼具高离子传导率、高钠离子迁移数和良好界面兼容性的SPE体系对于发展高性能全固态钠金属电池具有重要意义。

近期，江南大学化学与材料工程学院刘天西教授课题组开发了一种具有高钠离子选择性的MOF基纤维网络增强的聚合物复合电解质（ATFPE），以实现高性能全固态钠金属电池。研究表明，该ATFPE由于具有连续的3D离子传输通道和对阴离子（TFSI^-）独特的俘获效应，表现出高离子传导率（1.1×10^-4 S cm^-1）、高钠离子迁移数（0.63）以及良好的界面稳定性。基于此，使用ATFPE组装的Na/Na对称电池在0.1 mA cm^-2下可以稳定循环超过600 h，即使在0.5 mA cm^-2的大电流密度下也仅有0.58 V的超低过电位。有限元模拟结果表明，MOF基纤维网络的存在能够促进金属钠负极表面Na⁺和电场电势的均匀化，进而实现了Na⁺在电解质/钠负极界面的快速转移和在负极表面的均匀沉积。基于上述优点，采用该ATFPE组装的全固态钠金属电池表现出优异的倍率性能和长循环稳定性，在电流密度0.1 C的条件下，放电比容量高达117. 5 mAh g^-1，尽管在1 C条件下，电池依旧可循环超过1000圈且容量保持率高达78.2%。这项工作为高性能全固态二次金属电池用固态聚合物电解质的合理设计及开发提供了新思路。

本论文第一作者为化工学院硕士研究生郭峻宏，通讯作者为刘天西教授和陈苏莉副教授。

论文连接：https://doi.org/10.1002/smll.202206740

ATFPE离子传导示意图和界面稳定机制