鈉金屬電池（SMBs）作為下一代儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵候選者，因其全生命周期安全性和可靠性受到廣泛關(guān)注。這類熱敏感電化學(xué)系統(tǒng)在能量密度提升和應(yīng)用場景擴展引發(fā)的劇烈熱波動下，其性能衰減仍是嚴峻挑戰(zhàn)。當(dāng)前研究雖聚焦于能量密度和功率優(yōu)化，但低沸點易燃液態(tài)電解質(zhì)在高溫條件下引發(fā)的本征熱失控風(fēng)險常被忽視。固態(tài)鈉金屬電池（SSMBs）盡管具備高能量密度與本質(zhì)安全性的雙重優(yōu)勢，但其實際應(yīng)用進程卻受到固-固界面潤濕性不足以及界面動力學(xué)遲滯等問題的顯著制約。作為液態(tài)與固態(tài)電解質(zhì)的中間態(tài)，準(zhǔn)固態(tài)復(fù)合無機聚合物電解質(zhì)（PEs）憑借優(yōu)異柔韌性和界面兼容性，展現(xiàn)出作為鈉金屬電池電解質(zhì)的廣闊前景。然而高溫（>60 ℃）副反應(yīng)引發(fā)的界面穩(wěn)定性衰退及熱失控傳播效應(yīng)，極大限制了其實際應(yīng)用。因此開發(fā)高阻燃效率并且對鈉金屬有良好的兼容性的安全電解質(zhì)迫在眉睫。
基于上述問題，近日，陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院黃文歡教授團隊設(shè)計并制備了氟修飾固態(tài)薄膜，以同時調(diào)控鈉離子傳輸和固體電解質(zhì)界面（SEI）的形成。研究表明基于該固態(tài)薄膜的鈉金屬扣式/袋式電池均表現(xiàn)出高循環(huán)穩(wěn)定性（在0.5/1 C下， 4000/2000循環(huán)后，容量分別為86.9和80.0 mAh g-1）。此外，該薄膜能夠在高溫條件下分解產(chǎn)生氟清除自由基，能夠有效阻斷電池?zé)崾Э貢r的燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而防止電池二次燃燒。研究成果發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials，題為“Nonflammable Polyfluorides-Anchored Quasi-Solid Electrolytes by chemical-crosslinking for High-Safety Sodium Metal Battery”。
文章要點：
1. 該研究設(shè)計并制備了一種具有阻燃性能的氟修飾固態(tài)聚合物電解質(zhì)，通過利用氟修飾金屬有機框架（MOF）材料固有的熱穩(wěn)定性和氟自由基清除劑的功能，顯著提升了電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性和阻燃性能。
2.通過高密度的氟位點來構(gòu)建MOF孔道富電子環(huán)境，從而實現(xiàn)快速鋰/鈉離子傳導(dǎo) (σLi+= 2.413×10-4 S cm-1, σNa+=2.590×10-4 S cm-1)和調(diào)控SEI的形成以優(yōu)化鈉離子沉積,實現(xiàn)準(zhǔn)固態(tài)鈉金屬電池的高循環(huán)穩(wěn)定性和高比容量。
3. 在確保高離子電導(dǎo)率和界面穩(wěn)定性的前提下，氟修飾的準(zhǔn)固態(tài) NVP||Na 電池在 25℃ 和高溫條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、循環(huán)性能和倍率性能。此外，氟修飾的準(zhǔn)固態(tài)軟包電池在機械濫用（剪切與釘子穿透）、熱濫用（高溫過熱）以及ARC測試中均表現(xiàn)出卓越的熱/力學(xué)穩(wěn)定性，有效抑制了電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生，顯著降低了災(zāi)難性故障的風(fēng)險。
圖1：固態(tài)薄膜阻燃機理、熱穩(wěn)定性及阻燃性能表征
圖2：PCUF電解質(zhì)的離子傳輸性能和SEI性能表征
圖3：基于PCUF電解質(zhì)準(zhǔn)固態(tài)鈉金屬扣式電池性能
圖4：基于PCUF電解質(zhì)準(zhǔn)固態(tài)鈉金屬軟包電池性能及安全性能測試
圖5：基于PCUF電解質(zhì)準(zhǔn)固態(tài)鈉金屬軟包電池高溫性能，ARC測試及電池阻燃機理
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202507147
（核稿：黃文歡 編輯：趙誠）
校友
教工
學(xué)生