《Adv. Funct. Mater.》：超稳定全固态聚合物钠金属电池：循环寿命 > 8800 h

Boosting Selective Na⁺ Migration Kinetics in Structuring Composite Polymer Electrolyte Realizes Ultra-Stable All-Solid-State Sodium Batteries

Junhong Guo, Fan Feng, Xinyi Jiang, Rui Wang, Dongkun Chu, Yufeng Ren, Fangfang Chen, Peng He, Zi-Feng Ma, Suli Chen*, Tianxi Liu*

Adv. Funct. Mater. 2024, DOI: 10.1002/adfm.202313496

全固态钠金属电池因其高能量密度、安全可靠、成本低廉等优势，是公认的下一代大规模储能和动力电池的重要技术路线之一，正在成为世界竞争的焦点。其中，固态聚合物电解质由于具有优异的可加工性和低成本，并且能够和电极紧密接触并有效缓冲电池循环过程中电极的体积变化，被认为是最有望率先实现全固态钠金属电池商业化的固态电解质体系。然而，单一组分的固态聚合物电解质面临离子迁移动力学缓慢和钠离子选择性低引起的界面稳定性差等问题，严重限制了其实际应用。此外，为了保证良好的离子传输能力，当前开发的聚合物电解质通常是由柔软的线性聚合物基体组成，其力学性能较差难以抑制钠枝晶的生长，进一步阻碍了其商业化应用。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聚合物电解质体系，对实现超稳定的全固态钠金属电池并促进其商业化应用至关重要。

近期，本团队开发了一种高钠离子选择性硼基共价有机框架（B-COF）网络增强的聚合物复合电解质（BSCPE），实现了超稳定的全固态聚合物钠金属电池。其中，精准构筑的B-COF网络上丰富的Lewis酸位点可以通过阴离子捕获效应促进钠盐的解离，同时有效限制体系中TFSI^-阴离子的反向迁移，进而提高了电解质Na⁺选择性。更重要的是，由原位紧密堆积的B-COF纳米晶体形成的一维传导通道与上述协同效应相结合，可以为Na⁺提供快速且传输的连续途径，最终使BSCPE表现出高离子传导率(5.28×10^-4 S cm^-1, 60 ℃)、高钠离子迁移数（0.71）以及优异的力学性能。分子动力学模拟（MDs）和密度泛函理论（DFT）结果进一步证明了具有强阴离子捕获效应的B-COF网络赋予了BSCPE优异的Na⁺选择性传导能力和丰富的配位环境。此外，有限元模拟（FEM）表明，高的Na⁺选择性和快速的离子迁移动力学有效降低了BSCPE中浓度极化和电场分布梯度，从而显著提高了其界面稳定性。基于此，使用BSCPE组装的Na/Na对称电池在0.1 mA cm^-2下可以保持稳定循环365天（>8800 h）以上，远高于当前所报道的各类钠金属电池体系，同时，该新型聚合物复合电解质体系的实际应用可行性也在全固态钠金属全电池体系中得到了验证。本工作为高性能全固态二次碱金属电池用先进固态聚合物电解质材料的合理设计和开发提供了新思路。本论文第一作者为化工学院博士生郭峻宏，通讯作者为刘天西教授和陈苏莉副教授。