无机3D纳米线/单离子传导聚合物复合固体电解质的设计及其在室温全固态钠离子电池的应用研究

The solid electrolytes of all-solid-state sodium batteries have the disadvantages of low room-temperature Na+ conductivity and poor interfacial compatibility between electrodes and electrolytes. To solve the aforementioned issues, a novel single ion conducting organic-inorganic composite electrolyte is proposed, which is based on the construction of NASICON-type Na1+xZr2SixP3-xO12 nanowire 3D framework and in situ polymerization of single ion conducting polymer (PFPE-PEO). The internal relationship between the 3D structure and microcosmic composition of the inorganic nanowire framework and its performance, and the corresponding physical mechanism will be studied. The obtained composite electrolytes not only possess the rapid room-temperature ionic conductivity but also have the enhanced electrolyte/electrode interfacial stability. The effect of each component and the microstructure of the composite polymer electrolyte on its electrochemical performance will be particularly explored. The mechanism of Na+ transport and the electrolyte/electrode interfacial factors will be fully investigated in order to reveal its effect on the interfacial compatibility and the cycling stability of solid batteries. The successful completion of this project will provide a new approach and theoretical foundation for developing high-performance solid electrolytes of all-solid-state sodium batteries.

本项目针对现有全固态钠离子电池用固体电解质中室温钠离子电导率低和界面相容性差的关键问题，提出了制备NASICON型无机3D纳米线骨架与单离子传导聚合物复合的新思路。项目首次构筑Na1+xZr2SixP3-xO12无机纳米线骨架，阐明其3D骨架结构和微观组成与钠离子传输性能之间的内在关联和物理机制；在此基础之上，通过原位聚合复合单离子聚合物导体（PFPE-PEO），构建新型单钠离子传导的有机/无机复合固体电解质体系，实现提升复合固体电解质的室温钠离子电导率以及电解质/电极界面相容性的双重目的。项目将重点研究复合固体电解质材料的成份和微观结构对电化学性能的影响规律，揭示电解质/电极界面等结构因素和离子传输机制对界面相容性以及电池循环稳定性的调控作用，为研发高性能钠离子电池复合固体电解质提供新的方法和理论基础。

随着电动汽车、智能电网等大规模储能应用领域的快速发展，商业化锂离子电池中的有机电解液存在易燃、易腐蚀、稳定性差等问题，已无法满足储能器件高能量密度、高安全性以及环境友好的要求。全固态电池采用固体电解质代替传统有机电解液，具有安全性好、能量密度高和易封装等综合优点，有望突破现有离子电池中电解质的性能和技术瓶颈，是未来大规模储能的重要发展方向。当前固态钠电池中固体电解质存在的主要挑战为离子电导率低和电解质/电极界面相容性不良。针对以上问题，本项目通过构筑如NASICON型快离子传导的无机填料等及其特殊结构，并对聚合物基体进行改性来提高其离子传输性能，进而制备高性能聚合物基复合固体电解质。同时通过调控离子在固体电解质内部的快速、均匀传输，消除离子浓差极化造成的枝晶生长问题，实现固态离子电池的长循环性能。经过持续的探索研究，项目成功合成出包括NASICON型无机纳米线骨架在内的各类快离子导体，和包括PFPE-PEO在内的改性聚合物基体，并实现了高性能复合固体电解质的制备。所制备的各类复合电解质均达到了较高的离子电导率（≥ 10-4 S cm-1），且组装为锂对称电池后，可实现500小时以上的稳定循环。与正负电极匹配组装为固态电池后，循环300圈以上均有至少80%的容量保持率。此外，项目通过实验测试和第一性原理等计算辅助，分析推导出各类电解质内部离子传输路径，实现了电解质成份-结构-性能模型的建立。该项目内完成的各项工作为高性能固态离子电池用聚合物基复合固体电解质材料的设计和开发提供了新的方法和理论基础。