主要观点总结
本文介绍了大连理工大学蹇锡高院士及胡方圆教授等人关于钠离子电池的研究进展。针对钠离子电池中的离子传输动力学过程缓慢导致的问题，通过优化电极材料、构筑高性能钠离子电池、采用固态钠离子电池研究等手段进行改进。在负极材料方面提出了微应力泵促进离子流传输的新策略；在正极材料方面，创制出含哌嗪结构的共轭有机单体；为了提高钠离子电池的安全性能，开展了固态钠离子电池研究工作，从聚合物结构/功能一体化角度出发，提出了“双相共存”双通道加速Na+传输新策略。相关工作发表在多个知名期刊上。
关键观点总结
关键观点1: 钠离子电池中的离子传输动力学过程缓慢导致容量较低、倍率性能差等问题。
为了解决这一问题，大连理工大学的研究团队采取了多种策略进行优化，包括优化电极材料、构筑高性能钠离子电池、采用固态钠离子电池研究等。
关键观点2: 在负极材料方面，提出了微应力泵促进离子流传输的新策略。
该策略通过电压变化调控液态金属进行规律性收缩/扩张，类似心脏节律性跳动泵出血流的过程，从而加速离子流泵出而改善离子流传输过程，实现了通过构筑微应力加快离子传输速率的作用。
关键观点3: 在正极材料方面，创制了含哌嗪结构的共轭有机单体。
该有机单体通过缩合反应创制，利用-NH2与C=O形成分子间氢键以及共轭结构，降低了有机小分子的溶解度并改善了其导电性，提升了电极材料的循环稳定性和倍率性能。
关键观点4: 为了提高钠离子电池的安全性能，开展了固态钠离子电池研究工作。
研究团队从聚合物结构/功能一体化角度出发，提出了“双相共存”双通道加速Na+传输新策略。该策略有效避免了潜在的相分离行为和过高交联密度导致的电解质体相中Na+传输动力学缓慢难题，进而构筑出“双相共存”Na+传输双通道。
正文
近年来，钠离子电池以低廉的成本和规模化储能等优势而备受关注。然而，钠离子电池中的离子传输动力学过程缓慢，进而导致其容量较低、倍率性能差等问题。为了加快离子在电极结构体相内和电极/电解质界面的传输速率，大连理工大学蹇锡高院士及胡方圆教授等人围绕优化离子在体相传输路径和离子溶剂化结构等方面开展了相关研究，相关成果发表在知名期刊《Energy & Environmental Science》《Angewandte Chemie International Edition》《Advanced Functional Materials》《Small》等。其中，研究成果被《Energy & Environmental Science》遴选为封面论文、被《Angewandte Chemie International Edition》推荐为热点论文。
构筑高性能钠离子电池需要综合考虑材料体系及组装工艺等，通过优化负极材料、正极材料、固态电解质结构，进而提高钠离子电池整体能量密度。在负极材料方面，胡方圆教授等人受到心脏泵血机制启发，提出了微应力泵促进离子流传输的新策略，促进了Na+快速传输，揭示了电极电势诱导液态金属界面张力变化的构效关系，阐明了微应力场促进Na+传输的新机制(图1)。该工作主要是在电化学过程中通过电压变化调控液态金属进行规律性收缩/扩张，类似心脏节律性跳动泵出血流的过程，从而加速离子流泵出而改善了离子流传输过程，实现了通过构筑微应力加快离子传输速率的作用。结合微型传感器原位监测技术，阐明了液态金属基电极材料的应力与电化学性能之间的构效关系。构筑出Ah级软包电池，在1 C电流密度下经过500次循环充放电过程后，其容量保持率为90.2%（该工作以Micro-stress pump with stress variation to boost ion transport for high-performance sodium-ion batteries为题发表在《Energy & Environmental Science》期刊，影响因子：32.4，并被遴选为封面论文），该论文的第一作者是金鑫博士，通讯作者为胡方圆教授。
图1 期刊封面图和“仿生心脏”微应力
泵助力钠离子传输示意图
针对钠离子电池Ti3C2Tx MXene负极离子传输动力学缓慢和电极稳定性较差的问题，创制了深共晶超分子聚合物包覆MXene材料，阐明了深共晶超分子聚合物改善Na+传输动力学机制，并通过理论计算揭示了Na+扩散势垒的变化规律。该工作将深共晶效引入Na+电池负极材料，为高分子基复合MXene电极设计提供了新思路（该工作以Construction of Ti3C2Tx MXene with hopping migration mechanism via deep eutectic supramolecular polymers anode for sodium ion batteries为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊，影响因子：18.5），该论文的第一作者是马恭辰硕士，通讯作者为胡方圆教授。
此外，在正极材料研究方面，针对有机小分子存在易溶解和导电性欠佳等问题，利用有机材料的结构可设计性强的特点，通过缩合反应，创制出含哌嗪结构的共轭有机单体（图2）。利用-NH2与C=O形成分子间氢键以及共轭结构，利于降低有机小分子溶解度并改善其导电性，提升了电极材料循环稳定性和倍率性能。将其作为钠离子电池正极材料，其在0.5 A g-1下，初始容量为293 mAh g-1。在3 A g-1下，经过3500次循环充放电过程后，容量为184 mAh g-1，且容量保持率为74%。此外，在70 A g-1较大电流密度条件下，容量为90 mAh g-1（该工作以A small-molecule organic cathode with extended conjugation toward enhancing Na+ migration kinetics for advanced sodium-ion batteries为题发表在《Small》期刊，影响因子：13.0），该论文的第一作者是姚雨鑫硕士，通讯作者为胡方圆教授。
图2 电极制备流程图、跳跃迁
移机制示意图
为了进一步提高钠离子电池的安全性能，开展了固态钠离子电池研究工作。开发兼具“三高”（即高离子电导率、高电化学窗口、高安全性）的新型高性能聚合物固态电解质，是钠金属电池领域研究难点之一。在前期聚合物电解质研究中，采用丁二腈作为塑化剂的固态塑晶型电解质，利于改善上述的“三高”性能而受到广泛关注。然而，受限于丁二腈还原稳定性欠佳且电荷分布不均衡，导致其在钠金属负极侧难以形成稳定SEI，且Na+在固态塑晶型电解质体相中的传输机制尚不明晰。针对上述问题，大连理工大学胡方圆教授从聚合物结构/功能一体化角度出发，提出了“双相共存”双通道加速Na+传输新策略，利用分子间偶极－偶极相互作用，优化了SEI组成成分，改善了Na+在SEI中传输动力学过程，实现了Na+在电解质体相高效传输。
采用富含酯基结构的聚合物单体与丁二腈基深共晶电解质进行原位固化，创制出新型高性能本征阻燃的固态塑料晶体电解质（SPCE-9）。通过合理化调控聚合物的分子结构和比例，可有效避免潜在的相分离行为和过高交联密度导致的电解质体相中Na+传输动力学缓慢难题，进而构筑出“双相共存”Na+传输双通道。具体而言，Na+既可在基于丁二腈连续相形成的稳定配位结构进行传输，又可利用聚合物链段上丰富的C-O-C和C=O位点进行迁移，因此有效改善了Na+在电解质体相的传输动力学过程。该新型聚合物电解质具有高离子电导率（1.8 mS/cm）、稳定的电化学窗口（4.6 V）；构筑的Na/SPCE-9/NVP电池，具有优异电化学性能，即在2C下，其循环寿命超过5000次，平均每圈容量衰减仅为0.0028%。
DFT计算结果表明，丁二腈的电荷分布不均衡是α-H附近电子云密度过低所导致。此外，由于丁二腈的LUMO能级较低，导致其对负极侧的还原稳定性较差。因此，利用聚合物骨架的供电子基团可与α-H之间形成分子间相互作用，可有效缓解丁二腈SN分解，并利于生成富含无机物的SEI，进而确保Na/SPCE-9/NVP电池稳定运行。该策略既优化了Na+界面传输动力学过程，又改善了材料循环稳定性。（该工作以Rapid Na+ transport pathway and stable interface design enabling ultralong life solid-state sodium metal batteries为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊，影响因子：16.1，并被推荐为Hot Paper），该论文的第一作者是苏畅博士，通讯作者为胡方圆教授。
图3 （a）固态塑晶相聚合物电解质设计思路，（b）聚合物-丁二腈分子间相互作用可视化，（c）“双相共存”离子传输机制示意图，（d）钠金属全电池循环测试性能图
上述相关研究工作获得国家自然科学基金优秀青年基金项目、辽宁省“兴辽英才计划”、大连市杰出青年科技人才项目、大连理工大学“星海优青”项目等资助支持。
