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江南大学黄锋林EnSM:纳米纤维基复合电解质用于调节钠离子电池中的离子分布

发布时间:2024-06-07浏览次数: 次 来源:   功能纺织材料研究室编辑:纺织科学与工程学院

    聚合物陶瓷复合固体电解质比单纯的有机或无机固体电解质具有更大优势。但是固态电解质的离子传输性能一直是一个巨大的挑战,由于钠离子较大的体积导致其在电解质中的横向传输更加困难,导致离子流量分布不匀,电池循环稳定性差。本文针对此问题,从离子传导机理出发,通过对聚合物的结构进行设计和纳米纤维网络的构建,实现了宽温域下离子的高效传输。

   近日,江南大学黄锋林教授在国际著名期刊EnSM上发表题为“Nanofiber matrix composite electrolyte for regulating ion distribution in fast kinetic sodium-ion batteries operating at wide temperatures”的研究型文章。该文章分析了离子在聚合物电解质中的传输机理以及在陶瓷纳米纤维填料-聚合物界面的传输方式,解决了离子横向传输不匀的问题。

由于在凝固浴中的固化速率不同,快速固化形成的壳层保护了内部芯层在各种机械变形中可能产生的断裂和剥落。最后,采用独立阴极和独立阳极分别编织的技术,组装形状可调、服装兼容的柔性锌基电池,具有卓越的电化学性能、输出稳定性和机械变形耐久性。该文章发表在国际顶级期刊Nano Energy上,博士生程新跃为本文第一作者。

图1.复合电解质的制备流程及离子传输机理示意图。

要点一:复合电解质的构建及其物化性能研究

    本文采用快速原位紫外光固化(2 min内)的方法制备了一种具有阴离子固定和阳离子传导能力的复合电解质。这种复合电解质能够在较宽的温度范围(-40℃至80℃)内实现快速的离子动力学和均匀的离子通量。如图2所示,静电纺丝陶瓷SNF固定化阴离子(SNF@IA)被引入到2-(甲基丙烯酰氧基)乙基3-氧丁酸酯(AAEM)聚合基质(PAAEM)中。在这种复合电解质中,离子传导通过两种途径发生:离子沿着陶瓷-聚合物界面迁移,而聚合物中的含氧基团(C=O)与离子配合并解离,以促进离子的持续传导。再加上改性SNF的阴离子固定化作用,进一步提高了Na+转移数(TNa+)。此外,电解质基质内SNF的三维网络结构有助于离子均匀分布,防止枝晶生长。陶瓷SNF的低可燃性和PAAEM较低的玻璃转换温度(Tg)增强了复合电解质的宽温度适应性。这种对阳离子和阴离子的双向调节策略有望推动固态电解质的发展,改善高能量密度电池在各领域应用中的安全性。

要点二:不同温度下复合电解质的离子传导性能研究

    为了评价SNFs对离子水平分布均匀性的调节作用,利用COMSOL Multiphysics模拟了纳米颗粒填料和纳米纤维填料电解质中Na+的浓度分布,验证了三维结构陶瓷纳米纤维的先进性。为了进一步评价不同纳米填料电解质的Na+输运特性,我们测试了不同温度下的离子电导率,纳米填料的加入明显提高了离子传输效率,特别是高纵横比SNF填料,PAAEM-SNF@IA的高配位阴离子分散了离子传导途径,进一步提高了离子电导率(4.02×10−4S cm−1)。不同电解质的Na+输运活化能均小于0.15 eV,表明其具有较低的扩散势垒和较快的Na+扩散动力学,这可归因于聚合物基体提供了丰富的离子络合位点。纳米填料与盐之间的相互作用(促进盐的溶解度和解离)以及纳米填料与阴离子的连接(主要是由于阴离子分子的固定而提高界面附近的离子浓度)对于促进离子运输至关重要。

要点三:复合电解质钠离子电池的充放电性能研究

    利用该复合电解质组装的固态钠离子电池,NVP//PAAEM-SNF@IA//Na半电池在26°C和0.5 C条件下具有1500次循环的长期稳定性,保持了90.2%的容量。同时,NVP//PAAEM-SNF@IA//Bi软包电池进一步证明了该电解质的空气稳定性。优异的倍率性能进一步证明了其宽温域适用性。本研究引入了一种新的SSE设计方法,重点是促进Na+运输和调节离子分布,从而使高能量密度sib的开发即使在极端条件下也具有稳定的性能。