专栏名称: X-MOL资讯

“X-MOL资讯”关注化学、材料和生命科学领域的科研进展，坚持“原创、专业、深度、生动”，发文频率和质量广受好评。公众号菜单提供“期刊浏览、职位查询、物性数据”等丰富内容和强大功能，深得用户喜爱，入选“2016 年度学术公众号TOP10”。

【能源】大连理工大学胡方圆教授Angew：实现固态钠电中“双相共存”离子传输通道定制和SEI组份设计

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2025-01-18 08:09

正文

钠金属电池因其较低的还原电位（-2.71 V）和较高的理论容量（1166 mAh g ^-1 ）而受到广泛关注，使用固态聚合物电解质可以进一步提升其安全性能。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。固态塑晶型电解质（SPCE）是以丁二腈（SN）为基体的一种电解质，具有电化学窗口宽和室温离子电导率高的优点。但由于SN对钠金属的不稳定性而难以形成稳定的SEI，且 Na ⁺ 在该类型电解质中的传输机制仍待进一步探索。

为了解决上述问题， 大连理工大学胡方圆 教授基于聚合物电子结构分析和链段的合理设计，创制了新型固态塑晶型电解质用于室温钠金属电池，从而实现了 Na ⁺ 在电解质体相中双通道协同输运和SEI组份优化，为固态钠电电解质设计提供了新思路。相关研究成果发表在 Angewandte Chemie International Edition 期刊上。

图1. 电解质的设计思路及安全性测试

该工作首先对SN分子和聚合物单体的表面静电势进行分析，结果表明，N原子较强的电负性导致SN分子中α-H附近电子云密度过低，导致SN分子不稳定性。因此，利用富酯基聚合物链段上的供电子基团，可以与SN之间形成较强的分子间相互作用，提升了SN的稳定性。热重-红外联用分析了电解质在热解过程中的分解情况，验证了该电解质本征安全特性。

图2. SPCE中 Na ⁺ 迁移机制分析

基于分子动力学模拟，对比了有无SN情况下 Na ⁺ 配位行为。结果表明，引入SN可显著影响TFS I ^- 与 Na ⁺ 配位，而对 Na ⁺ 与聚合物的配位影响较小。基于上述分析，阐明了“双相共存”离子传输机制，即 Na ⁺ 既可沿聚合物链段传输，又可利用丁二腈相中[SN••• Na ⁺ ]溶剂化结构进行迁移。采用Raman、FT-IR、固态核磁等技术，表明“双相共存”离子传输通道改善了钠盐解离程度，并降低了 Na ⁺ 迁移活化能，因此实现了 Na ⁺ 在体相中的高效输运。

图3. 分子锁定机制和界面化学分析

该研究从分子轨道理论出发，分析了SN在负极侧难以稳定的原因是其LUMO能级较低，而与聚合物单体结合后，提升了其LUMO能级，进而提高了SN的还原稳定性。相互作用区域指示图（IRI）表明二者之间相互作用发生在聚合物的酯基基团和SN中α-H位置之间。基于分子锁定作用，证明了SEI中的N元素含量减少，缓解了SN分解现象，同时在SEI内引入了 Na ₂ CO ₃ 组份，与NaF组份协同优化了 Na ⁺ 在SEI处的迁移动力学过程。

图4. 电化学性能测试

基于 Na ⁺ 在电解质体相中高效的传输通路设计和SEI界面组份优化，构筑出Na/SPCE-9/NVP电池，其在10 C倍率下，比容量为76.8 mAh g ^-1 ；经过5000次循环充放电过程后，其容量保持率为86.2%。

文章的第一作者是大连理工大学博士研究生苏畅。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Rapid Na ⁺ Transport Pathway and Stable Interface Design Enabling Ultralong Life Solid-State Sodium Metal Batteries

Chang Su, Yunpeng Qu, Naiwen Hu, Lin Wang, Zihui Song, Mengfan Pei, Runyue Mao, Xin Jin, Dongming Liu, Xigao Jian, Fangyuan Hu

Angew. Chem. Int. Ed ., 2024 , DOI: 10.1002/anie.202418959

研究团队介绍

胡方圆，教授/博导，大连理工大学材料学院副院长、国家优青。担任JKW能源领域项目指南编写专家、教育部首批全国高校黄大年式教师团队、科技部重点领域创新团队核心成员。主要从事芳杂环聚合物基电化学能源材料及器件构筑，及其储锂/钠电化学性能的应用基础研究。主持国家重点研发计划项目专题、国家临近空间产业基金重点项目等。在能源材料领域和交叉学科期刊如 Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、eScience 等发表学术论文100余篇，授权国际/国内发明专利30余项。指导学生获“挑战杯”全国特等奖、国家级学会优秀博士论文奖等。主编教育部高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材1部、撰写学术专著1部，撰写能源领域咨政建议被教育部及上级单位采用。获大连市自然科学奖一等奖（排1）、辽宁青年科技奖、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖、大连市“杰出青年科技人才”等学术荣誉与称号。

【能源】大连理工大学胡方圆教授Angew：实现固态钠电中“双相共存”离子传输通道定制和SEI组份设计

正文

请到「今天看啥」查看全文