Advanced Energy Materials:聚合物电解质/电极材料一体化设计助力高比能柔性全固态钠电池

固态钠电池因其优异的安全性能、较高的能量密度被认为是大规模储能的理想器件。然而,当前固态钠电池的发展仍面临许多问题,如固态电解质的离子电导率较低、固/固界面接触差、电极材料体积变化大等,会导致固态电池的内阻大、容量低且寿命短,限制了其商业化应用。通过开发新型固态电解质和电解质添加剂或改性电极材料可以在一定程度上提高固态电池的性能,但是也有很多局限性,比如成本高,工艺复杂等。因此,急需找到更加高效的解决方法以满足实际应用的需求。

近期,中国科学技术大学余彦教授与中科院宁波材料所姚霞银研究员及中科院大连化物所吴忠帅研究员等人合作,设计构筑了聚合物固态电解质和正极材料的一体化集成系统,该系统可以有效加强固固界面接触,降低电池内阻,提高电子、离子和电荷的传输效率,从而开发出了高比能柔性的全固态钠电池。在该集成系统中,聚合物电解质(PEGDMA-NaFSI-SPE)由光固化聚合法制得,具有极好的柔韧性,且其室温离子电导率高达10-4 S cm-1,远高于文献报道的其他聚合物电解质(10-6 S cm-1);花瓣状的磷酸钒钠正极材料由溶胶凝胶法制得,表面薄层碳包覆(5nm) 提高了材料的导电性, 而材料的二维片状结构提高了其电子/离子的传输效率。将该电解质和电极材料的集成系统,搭配金属钠片,组装成全固态的软包钠电池,其在0.5C电流密度下可以稳定循环740圈,每圈容量衰减率仅为0.007%,将该电池搁置3个月后,容量保留率仍高达95%,表明该固态钠电池具有极低的自放电率。将软包钠电池在平铺和弯折状态下循环535圈后,其能量密度仍高达355 Wh kg-1(接近于理论值),表明该固态钠电池兼具高的能量密度和极好的柔韧性。

该研究采用的固态电解质/电极材料一体化设计思路有望发展为一种普适的方法,为高比能长寿命柔性全固态钠电池的发展和应用提供新的方向。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201903698)上。