基于新型复合固态电解质的钠金属电池研究

Sodium metal battery has been recognized as a promising commercial energy storage device with low cost and high energy density. However, the sodium dendrite can penetrate the separator and cause short circuit of the battery, which greatly limits the practical application of the sodium metal battery. Solid electrolyte can solve the above problems fundamentally, but the existence of solid electrolyte in a single component has the drawbacks of the poor mechanical property and high interfacial resistance between electrode and electrolyte. This project proposes to synthesize Na+-β-Al2O3/ gel polymer composite solid electrolyte to inhibit the growth of sodium dendrite. On the one hand, gel polymer electrolyte has good flexibility to ensure better interface compatibility and the organic electrolyte can be fixed in the polymer matrix, which will reduce the side reaction as well as interfacial resistance of electrolyte and sodium metal. On the other hand, the rigid inorganic ceramic electrolyte Na+-β-Al2O3 can ensure the high ionic conductivity of the composite electrolyte while resisting the penetration of the sodium dendrite. This project has important practical application value and scientific significance through the design of a novel composite solid electrolyte system and the development of solid-state sodium metal battery with long cycles, high rate and good safety.

金属钠电池是非常有商业化应用潜力的低成本、高能量密度储能器件。然而，金属钠的不均匀沉积/镀层剥离形成钠枝晶，可以穿透隔膜引起电池短路，极大地限制了金属钠电池的实际应用。固态电解质可从根本上解决上述问题，但是单一组分的固态电解质存在与电极界面相容性差、机械性能差等问题。本项目提出合成钠离子快导体Na+-β-Al2O3/凝胶聚合物复合固态电解质用于抑制钠枝晶生长。一方面，凝胶聚合物电解质具有较好的柔韧性以确保较好的界面相容性，并且可以将有机电解液固定在聚合物基体中，减少电解液与钠金属表面的副反应，进而可以降低钠金属/固态电解质界面电阻。另一方面，刚性的无机陶瓷电解质Na+-β-Al2O3在保证复合电解质具有高的离子电导率的同时可以抵挡金属钠枝晶的刺穿。本项目通过设计新型复合固态电解质体系，发展长循环、高倍率、高安全性的固态钠金属电池，具有重要的实际应用价值和科学意义。

近年来，由于钠资源丰富、成本低廉等优点，使得开发具有高工作电压和高能量密度的钠金属电池引起了人们的极大兴趣。然而，钠金属电池在充放电过程中由于钠金属负极表面的电流和离子输运不均一导致钠枝晶生长，极易引起电池短路；此外，钠金属负极与液体电解质在高温情况下具有很高的化学和电化学副反应活性，导致钠金属电池安全性和电化学性能大幅度下降。因此，在钠金属负极表面构建结构均匀、致密且高稳定的固态电解质(SEI)膜对抑制钠枝晶的生长以及隔绝钠金属与电解液的副反应具有重要意义。本项目研制了交联结构快离子导体纳米线复合凝胶固态电解质，凝胶聚合物电解质紧密地包覆在交联结构纳米线表面，两者协同作用促使钠离子在纳米线内部和表面同步高效传导，从而构筑了致密、均匀的“固-液”混合钠离子传输通道，实现钠离子在固态电解质内部以及电极/电解质界面快速、均匀的输运，并促进钠金属负极表面形成稳定、平整的SEI膜，诱导钠金属的均匀沉积，进而成功抑制了钠枝晶生长以及钠金属负极和电解液在常温和高温下的副反应。基于复合电解质的磷酸钒钠/钠（Na3V2(PO4)3/Na）电池在25 oC 和 60 oC下循环1000圈之后容量保持率分别高达95.3%和78.8%，具有优异的宽温度循环稳定性。这项研究工作首次证明了无机离子导体/聚合物复合凝胶固态电解质中无机离子导体高效传输钠离子行为，揭示了其“固-液”混合钠离子传输机制，阐明了高效无机离子导体基复合凝胶电解质对于构建高稳定固态钠金属电池体系的重要性，为实现高能量密度、长寿命和高安全钠金属电池提供了一种普适策略。此外，这项工作对发展高安全性、长寿命锂、钾等金属电池也具有重要的借鉴意义。