鈉金屬電池(SMBs)因其鈉資源豐富、成本低廉等優(yōu)勢(shì),被視為鋰離子電池的理想替代品。然而,固態(tài)電解質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn),如離子電導(dǎo)率低、界面接觸不良以及鈉枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題,限制了其進(jìn)一步發(fā)展。相比之下,凝膠聚合物電解質(zhì)(GPE)因其優(yōu)異的柔韌性和可擴(kuò)展性,展現(xiàn)出更大的應(yīng)用潛力。盡管如此,傳統(tǒng)凝膠聚合物電解質(zhì)仍存在離子遷移率不足的缺陷,難以滿足高性能鈉金屬電池的需求。近年來(lái),金屬有機(jī)框架(MOFs)因其可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)和高孔隙率特性,為Na+的快速遷移提供了理想通道,從而顯著提升了離子遷移效率。因此,合理選擇MOF填料并制備適用于鈉金屬電池的MOF基凝膠電解質(zhì)仍是目前研究重點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題,近日,陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院黃文歡教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出兩種鋅基MOF材料(AHF-PDC與AHF-BPDC),通過(guò)調(diào)控配體長(zhǎng)度形成孔徑分別為6 ?和9 ?的一維通道。其中,BPDC@PH電解質(zhì)憑借更大的孔道(9 ?)及孔壁靜電吸附特性,顯著優(yōu)化了鈉離子(Na?)的擴(kuò)散路徑。同時(shí),該材料能夠選擇性吸附陰離子(TFSI?),從而將離子遷移數(shù)提升至0.87,并在35°C下實(shí)現(xiàn)了7.74 × 10?? S cm?1的高電導(dǎo)率。這一研究為開(kāi)發(fā)高性能鈉金屬電池電解質(zhì)提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)支持。相關(guān)工作在《Advanced Functional Materials》期刊上以“Enhanced Ionic Diffusion via Refined Pillared 1D Channels for Sodium Metal Batteries”為題發(fā)表。
本文亮點(diǎn):
1. 精準(zhǔn)設(shè)計(jì)MOF孔道,實(shí)現(xiàn)離子高效傳輸。通過(guò)調(diào)控配體長(zhǎng)度形成孔徑分別為6 ?和9 ?的一維通道。其中,BPDC@PH電解質(zhì)憑借更大的孔道(9 ?)及孔壁靜電吸附特性,顯著優(yōu)化了鈉離子(Na?)擴(kuò)散路徑,并選擇性吸附陰離子(TFSI?),使離子遷移數(shù)提升至0.87,電導(dǎo)率達(dá)7.74 × 10?? S cm?1(35°C)。
2. 超長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性與界面優(yōu)化。在1.0 mA cm?2電流密度下,鈉金屬對(duì)稱電池連續(xù)運(yùn)行超1000小時(shí)無(wú)短路,全電池(NVP|BPDC@PH|Na)循環(huán)1000次后容量保持率高達(dá)98%。分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示,擴(kuò)大的MOF孔道加速了NaTFSI的傳輸,促進(jìn)負(fù)極表面形成富含NaF的薄層固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI),有效抑制枝晶生長(zhǎng)。組裝的固態(tài)軟包電池在彎折、切割等極端條件下仍可穩(wěn)定供電,并點(diǎn)亮LED燈組,展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械安全性和商業(yè)化潛力。

PDC@PH 和 BPDC@PH 凝膠聚合物電解質(zhì)的制備

精準(zhǔn)調(diào)控柱狀 1D 通道,增強(qiáng)離子遷移動(dòng)力學(xué)

誘導(dǎo)富含NaF的固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)沉積并穩(wěn)定鈉界面

NVP | MOF@PH | Na 全電池的電化學(xué)性能
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202420572
新聞小貼士:
黃文歡,在無(wú)機(jī)合成化學(xué)領(lǐng)域,聚焦雜化氮唑框架的設(shè)計(jì)合成及構(gòu)效關(guān)系開(kāi)展深入研究。擔(dān)任《EcoMat》顧問(wèn)委員會(huì)成員、《Rare Metals》、《稀有金屬》中英兩刊青年編委;《Wearable Electronic》青年編委;《Tungsten》青年編委;《Rare Metal Materials and Engineering》青年編委;《Chinese Journal of Structural Chemistry 》青年編委。先后入選陜西省高??茀f(xié)青年人才托舉計(jì)劃(2021)、陜西省科技新星(2022)、陜西省特支計(jì)劃-青年拔尖人才(2023)。近年來(lái),發(fā)表論文80余篇,包括Nature Communication (1篇)、Angew Chem. Int. Ed. (2篇)、Advanced Materials(2篇)、Advanced Functional Materials(4篇)、Advanced Science(1篇)、Science China Chemistry(1篇)等,ESI高被引論文14篇,總引用4680次(單篇最高503次,7篇論文超100次引用),論文前封面4篇,連續(xù)入選 “2023、2024年度全球前2% 頂尖科學(xué)家榜單”。
(核稿:黃文歡 編輯:劉倩)