CCS Chemistry | 新方法-原位共聚制备高性能钠离子电池凝胶电解质

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2020-06-04 08:20

北京

以下文章来源于CCSChemistry ，作者CCS Chemistry

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中科院化学所郭玉国研究员、殷雅侠研究员团队提出了一种双单体原位共聚制备三维网络结构凝胶聚合物电解质的方法，同时构建了基于该新型电解质的钠离子电池。所得电解质展现出高的室温离子电导率，良好的热稳定性和宽的电化学工作窗口。

良好的安全性、热稳定性以及无液体泄漏是钠离子电池（SIBs）成为大规模能量存储体系的基本要求。使用固态或者凝胶电解质（GPE）是解决上述问题的有效策略之一。其中，具有三维网络聚合物骨架的GPE因其较高的机械强度、高离子电导率、高温度/压力稳定性，成为电池制备的理想材料。但是目前3D GPE材料复杂的制备工艺、合成过程环境不友好等问题，成为阻碍开发高安全性固态SIBs的关键。

图1

中国科学院化学研究所郭玉国研究员、殷雅侠研究员团队提出了原位聚合技术，传统的基于凝胶聚合物电解质的电池需经过聚合物骨架制备、电解液浸泡以及电池组装等繁琐的工艺过程，而原位聚合技术只需在传统液体电解质中加入聚合单体直接组装电池即可。作者通过一种自催化策略，在室温下使用六氟磷酸钠（NaPF6）作为引发剂，采用两种单体，即1,3-二氧环戊烷（DOL）和三羟甲基丙烷三缩水甘油醚（TMPTGE）原位共聚（图1c）制备了具备三维网络结构的凝胶聚合物电解质。这种方法既克服单纯线性聚合体系（图1a）缓慢的动力学行为所带来的聚合时间长、热稳定性差，又解决了单纯三维聚合体系（图1b）空间位阻引起的不完全聚合、过大的刚性等问题。

作者提出的双单体共聚体系（DOL+TMPTGE）最多只需12h就能获得良好的凝胶化状态，而单纯的DOL体系即使经过130h的聚合后仍呈流动状态（图2a-d）。此外，该工作中快速制备的凝胶电解质还表现出良好的热稳定性能（图2e）。

图2

结合表面分析技术作者对比了所制备的凝胶电解质与传统液体电解质体系中金属钠的界面化学（图3a&b），揭示了凝胶电解质体系中富NaF界面的存在是钠枝晶生长被抑制的主要原因（图3c）。进一步，该研究工作还对钠离子半电池和全电池行为进行了研究，结果显示所制备的凝胶聚合物电解质在实际应用方面表现出良好的电化学性质（图3d&e），具有高达4 V的优异电化学稳定性窗口，具有较高的离子电导率，在室温下为8.2×10-4 S cm-1，这足以满足抑制钠枝晶的生长，从而稳定电解质/钠阳极的界面。尤其是在抑制钠离子电池中有限钠的不可逆消耗方面具有潜在的应用前景。

图3

该研究工作提供了一种原位制备钠离子电池凝胶聚合物电解质、抑制钠枝晶生长和稳定电极/电解质表界面的新方法。该方法不仅克服了传统凝胶聚合物电解质合成过程对额外设备的依赖，缩短了凝胶电解质的制备时间，而且还简化了基于凝胶电解质的钠离子电池制备工艺，有效改善了电极/电解质界面稳定性。所得的GPE具有良好的热稳定性，室温下的高离子电导率以及对阴极和阳极（例如金属钠阳极）的良好电化学相容性。同时，这种原位共聚的思想丰富了凝胶电解质的合成方法，也适用于改善其它电极/电解质的界面兼容性。

此项研究得到了国家自然科学基金基础科学中心项目、国家重点研发计划项目、中科院战略先导项目以及博士后科学基金的资助。该工作以Research Article的形式发表在CCS Chemistry 2020年第一期。

文章详情：

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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