AEM: 用于超高速率钠金属电池的原位聚合局部高浓度电解质

文章总结

钠金属电池（SMBs）由于钠元素在自然界中储量丰富，有望成为锂离子电池系统的理想替代品。然而，在传统的液态电解质中，钠枝晶生长以及电解质 / 电极界面不稳定等问题阻碍了其实际应用。在此，我们提出了一种原位聚合的局部高浓度凝胶电解质（IS-LHCE），并通过将 1,3 - 二氧戊环同时用作稀释剂和聚合物前体的策略性整合对其进行了设计优化。与使用惰性稀释剂的传统方法不同，这种设计建立了一种聚合物限制的溶剂化结构，能够同时实现阴离子配位调控和离子传输解耦。这种独特的结构将钠离子的活化能降低至 0.0379 电子伏特，使其具有高达 6.07×10⁻⁴ 西门子每厘米（S cm⁻¹）的优异离子电导率和较宽的电化学稳定窗口（约 4.56 伏）。原位形成的 IS-LHCE 聚合物网络促进了阴离子的优先分解，形成了以 NaF/Na₂S 相为主导的梯度富无机固态电解质界面相，这使得钠 || 钠对称电池在 0.1 毫安每平方厘米（mA cm⁻²）的电流密度下能够实现超过 1200 小时的前所未有的循环稳定性。Na₃V₂(PO₄)₃||Na 全电池展现出了创纪录的长寿命，在 10C 倍率下循环 3000 次后容量保持率仍为 90.8%。这项工作为聚合物电解质的设计提供了一种新范式，从根本上解决了长期以来在界面不稳定性和离子传输之间的权衡问题，避免了枝晶的形成，并推动了实用型高能量密度钠金属电池的发展。

图文简介

不同电解质的结构以及优缺点的示意图

原位聚合反应以及原位聚合的局部高浓度凝胶电解质（IS-LHCE）的表征

由使用以下电解质的对称电池的奈奎斯特图得出的弛豫时间分布（DRT）曲线：a）原位聚合的局部高浓度凝胶电解质（IS-LHCE）和 b）高浓度电解质（HCE）。c）各种电解质中电导率与温度的关系。d）使用钠 || 钠对称电池测得的塔菲尔（Tafel）曲线。e）各种电解质的线性扫描伏安法（LSV）曲线。f）用各种电解质组装的钠 || 钠对称电池的稳态极化曲线。极化前后的电化学阻抗谱（EIS）曲线。

a）钠 || 钠对称电池的（钠）沉积和剥离曲线。b）（钠）沉积 / 剥离区域的局部放大图像。c）钠 || 铜电池首次循环期间的成核电位。d）钠 || 铜电池的平均库仑效率。e）原位聚合的局部高浓度凝胶电解质（IS-LHCE）的恒电流充放电（CCD）情况，恒电流充放电测试是在 0.05 至 4 毫安每平方厘米（mA cm⁻²）的电流密度下进行的。f）钠 || 铜电池的原位拉曼光谱。g）和 h）分别为使用高浓度电解质（HCE）和原位聚合的局部高浓度凝胶电解质（IS-LHCE）的钠 || 磷酸钒钠（NVP）电池的原位电化学阻抗谱（EIS）曲线。

使用高浓度电解质（HCE）（a）和原位聚合的局部高浓度凝胶电解质（IS-LHCE）（b）的磷酸钒钠 || 钠（NVP||Na）电池在扫描速率为 0.1 至 0.4 毫伏每秒（mV s⁻¹）时的循环伏安（CV）曲线。c）磷酸钒钠 || 钠（NVP||Na）电池的倍率性能。d）基于原位聚合的局部高浓度凝胶电解质（IS-LHCE）、高浓度电解质（HCE）和局部高浓度电解质（LHCE）的磷酸钒钠 || 钠（NVP||Na）电池在 1C 倍率下的循环性能以及 e）原位聚合的局部高浓度凝胶电解质（IS-LHCE）对应的电压曲线。f）高负载容量正极电池的循环性能。g）使用原位聚合的局部高浓度凝胶电解质（IS-LHCE）和高浓度电解质（HCE）的磷酸钒钠 || 钠（NVP||Na）电池在 10C 倍率下的长期循环稳定性。h）使用原位聚合的局部高浓度凝胶电解质（IS-LHCE）的电池与其他已报道的电解质的电池性能比较。

论文信息

通讯作者： Hui Bi, Fuqiang Huang

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