温兆银/吴相伟EnSM：原位构筑复合电解质，钠金属电池1000次循环！

具有潜在高理论容量的钠金属电池（SMB）被认为是高能量密度电池最有前景的候选电池之一。然而，钠枝晶引起的安全问题严重阻碍了SMB的实际应用。由无机离子导体和有机聚合物组成的复合凝胶聚合物电解质（CGPE）可以抑制钠枝晶的生长，提高SMB的安全性。然而，有机组分和无机组分之间不相容界面的存在会导致CGPE离子电导率较低，Na⁺传输失效。

中科院上海硅酸盐研究所温兆银、吴相伟等展示了由硅烷改性的β-Al₂O₃粉末和具有交联结构的PVDF-HFP基质组成的CGPE，以消除无机-有机界面的不相容性，从而增强合成复合电解质的电化学性能。

图1. PSBX的原位制备过程和可能的交联结构示意图

由于存在无机硅氧基团（对无机表面有反应）和有机-NH₂基团（与有机物质兼容），所采用的（3-氨基丙基）-三甲氧基硅烷（Atmos）可以作为陶瓷颗粒和聚合物基质之间的分子桥梁。在Atmos的帮助下，作者通过相位转换法成功地制备了一种柔性、高导电的CGPE膜。

具体来说，PVDF-HFP单体在碱性环境中经历了脱氟和随后的交联，碱性环境是通过将β-Al₂O₃粉末分散在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和丙酮（ACE）的混合物中而形成的，并形成链状结构的聚合物矩阵。

同时，β-Al₂O₃无机粉末被均匀地原位纳入聚合物基体中。在此过程中，硅烷偶联剂的加入将无机β-Al₂O₃粉末与PVDF-HFP聚合物基体连接起来，并改善了无机-有机界面。

图2. 半电池性能

受益于原位形成的交联结构和硅烷改性的界面，所制备的PSBX-GPEs表现出理想的离子传导性和Na⁺转移数，以及在抑制钠枝晶生长方面的显著性能。特别是，PSB60-GPE在20℃时达到了1.37×10^-3 S cm^-1的最高离子电导率，钠离子转移数高达0.424。此外，基于所获得的复合电解质组装的钠对称电池在0.5mA cm^-2的条件下，显示出800小时的优秀循环性能，没有明显的电压极化，证明了对钠负极的有效保护。

此外，当在基于Na₃V₂(PO₄)₃正极的全电池中时，它可以提供出色的电化学性能，在3C下即使经过1000次循环后，仍有92.2%的高容量保持率，并且库伦效率高达99.9%。全电池令人印象深刻的性能提升意味着这种复合电解质设计可以为构建高度稳定的SMB提供有效的策略。

图3. 全电池性能

In situ generated composite gel polymer electrolyte with crosslinking structure for dendrite-free and high- performance sodium metal batteries. Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.10.032

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