通訊作者：Maria Forsyth，王曉恩，Andrew K. Whittaker，張承 眾所周知，與鈉金屬負極配對的可充電電池被認為是最有前途的高能低成本儲能系統之一。然而，在電池循環過程中使用高反應性金屬鈉和鈉枝晶的形成引起了安全問題，尤其是在使用高度易燃的液態電解質時。在此，澳大利亞迪肯大學Maria Forsyth教授和王曉恩博士，聯合澳大利亞昆士蘭大學Andrew K. Whittaker教授和張承博士等人設計和開發基於全氟聚醚（PFPE）終端的聚環氧乙烷（PEO）基嵌段共聚物的無溶劑固態聚合物電解質（SPEs），用於安全穩定的全固態鈉金屬電池。與傳統的PEO SPEs相比，本文的實驗結果表明，嵌段共聚物設計能夠形成自組裝納米結構，從而使得在高溫下具有高儲能模量，即使在高鹽濃度（EO/Na=8/2）下，PEO也能夠提供傳輸通道。同時，80°C下全氟聚醚段的加入使電解質的Na+轉移數提高到0.46，從而穩定了固態電解質界面。此外，由新的SPE構成的對稱電池在高電流密度（0.5 mA cm-2和1.0 mAh cm-2）展現出了高穩定性，循環時間長達1000小時。最後，組裝的全固態鈉金屬電池搭配Na3V2(PO4)3正極能夠循環900次並展現出99.91%的庫侖效率，搭配高載量NaFePO4正極（>1 mAh cm-2）展現出優異的充放電性能，該研究為設計新型氟化共聚物作為鈉電池應用的高度穩定的固體聚合物電解質提供了機會。
相關研究成果「Ultra-stable all-solid-state sodium metal batteries enabled by perfluoropolyether-based electrolytes」為題發表在Nature Materials上。 近年來，由於鈉資源的高含量和廣泛分布，鈉離子電池被認為是下一代大規模應用的有吸引力的儲能設備。其中，使用金屬鈉作為負極進一步提高了整體電池容量，但鈉金屬電池的發展面臨着各種挑戰。相比之下，開發不含任何易燃液體的全固態鈉金屬電池在提高電池安全性方面顯示出明顯優勢。無溶劑聚合物電解質因其柔韌性、合適的機械強度和高電化學穩定性而具有吸引力。傳統的聚環氧乙烷（PEO）基固態聚合物電解質（SPE）由於醚氧和 Na+之間的配位作用而表現出良好的鈉鹽溶解性；然而，這種相互作用相對較強，這限制了 Na+的運動，從而導致了較低的鈉離子遷移數（tNa+）。此外，由於鈉金屬的高反應性，PEO電解質與鈉負極之間界面穩定性差是實現長壽命電池性能的另一個障礙。
氟化電解液的出現為穩定金屬負極和提高循環穩定性提供了一種有效的方法。例如，在鋰電池中，氟化部分可以提供在固體電解質界面（SEI）中形成富LiF成分的來源，從而提高電池的長循環穩定性。此外，由於LiF的超高電化學穩定性，氟化電解質的使用提高了高壓穩定性，這使得它們能夠應用於高壓電池。不幸的是，以前的報告傾向於關注氟化液態電解質和鋰電池應用的設計，對含氟成分的SPE及其在鈉金屬電池中的應用尚未研究。
（a）poly(PEOA)10-PFPE (EO10-PFPE)、poly (PEOA)10(EO10-CTRL)和NaFSI鹽的化學結構；（b）PEO的玻璃化轉變溫度與EO/Na比率的關係；（c）SAXS曲線顯示EO10-CTRL和EO10-PFPE的自組裝結構；（d）EO10-PFPE 的儲能模量（G '）和損耗模量（G ''）在80℃下隨頻率的變化。（a）EO10-CTRL和EO10-PFPE電解質的微觀結構示意圖；（b，c）EO10-PFPE複合SPE的橫截面和表面SEM照片；（d）EO10-PFPE和EO10-CTRL複合電解質的電導率比較；（i）EO10-PFPE複合SPE的循環伏安和線性掃描伏安曲線。圖3. 聚合物電解質和NaFSI之間的分子級相互作用。（a，b）EO-CTRL和EO-PFPE聚合物電解質的分子動力學模擬；（c）在六和七配位數（CN）的模擬中觀察到的競爭性Na+絡合基序；（b）基於PVDF納米纖維隔膜的複合電解質的沉積/剝離性能；（d）基於商業化隔膜的複合電解質的沉積/剝離性能；
（a）在具有EO10-CTRL電解質的Na/Cu電池中沉積的Na的表面SEM圖像； Xiaoen Wang✉, Cheng Zhang✉, Michal Sawczyk, Ju Sun , Qinghong Yuan , Fangfang Chen, Tiago C. Mendes, Patrick C. Howlett, Changkui Fu, Yiqing Wang, Xiao Tan, Debra J. Searles, Petr Král, Craig J. Hawker, Andrew K. Whittaker,✉Maria Forsyth✉,Ultra-stable all-solid-state sodium metal batteries enabled by perfluoropolyether-based electrolytes,2022,Nature Materials.
https://doi.org/10.1038/s41563-022-01296-0（來源：能源學人）
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