江南大学刘天西/陈苏莉AFM：防火凝胶聚合物电解质助力无枝晶高稳定钠金属电池

采用凝胶聚合物电解质（GPE）的钠金属电池（SMB）具有理论容量高、生产成本低的特点，被视为高能量密度电池的理想候选材料。然而，凝胶聚合物电解质固有的易燃性以及因机械性能和界面稳定性较差而导致的不受控制的钠枝晶阻碍了其实际应用。

近日，江南大学刘天西教授、陈苏莉副教授通过化学接枝偶联策略设计了一种阴离子捕获型防火复合凝胶电解质（AT-FCGE），其中用作纳米交联剂和阴离子捕获剂的功能化氮化硼纳米片（M-BNN）与聚（偏氟乙烯-共-六氟丙烯）基质中的聚（乙二醇）二丙烯酸酯偶联，以加速Na+传输并抑制枝晶生长。实验和计算研究表明，具有丰富路易斯酸位点的M-BNNs的阴离子捕获效应可促进盐的解离，从而显著提高离子电导率和Na+传输数。同时，高交联半互穿网络的形成可在不牺牲机械性能的前提下有效地原位封装不易燃的磷酸盐。因此，AT-FCGE在Na+传导性、机械性能和优异的界面稳定性方面都有显著提高。结果，AT-FCGE使Na/Na对称电池实现了无枝晶的长期稳定性，并在固态SMB中展示了突出的电化学性能。总体而言，该方法为阻燃凝胶电解质在高性能SMB及其他领域的巨大潜力提供了更广阔的前景。

文章要点：

1. 这项工作通过接枝偶联策略构建了具有优异界面稳定性的阴离子捕获防火复合凝胶电解质（AT-FCGE），其中氮化硼纳米片（BNN）与聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）通过硅烷偶联剂在聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯（PVDF-HFP）基体中化学偶联。

2. 接枝偶联的实施可形成高度交联的半互穿网络，从而在不牺牲GPE机械性能的情况下原位封装不易燃的磷酸盐。此外，由于硼具有丰富的路易斯酸位点，作为阴离子捕获剂的BNNs能有效促进钠盐的解离，限制阴离子在电解质中的移动，从而实现快速的Na+迁移能力和较小的浓度梯度。

3. 凭借这些优势，AT-FCGE具有优异的离子电导率、较高的Na+迁移数、更强的机械性能和界面稳定性。理论计算和分子动力学模拟证实了 AT-FCGE 中 Na+ 的快速迁移机制。

4. 采用AT-FCGE的Na/Na对称电池实现了超稳定的无枝晶循环，在0.1 mA cm-2条件下循环寿命超过1000小时。此外，采用AT-FCGE的固态SMB在2 C下循环1000次后显示出87.8%的高容量保持率，为设计高性能阻燃GPE提供了启示。

图1 AT-FCGE的制备及作用示意

图2 AT-FCGE的表征

图3 半电池性能

图4 固态NVP/AT-FCGE/Na全电池性能

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