吉林大学鄢俊敏教授：多功能PVDF膜在Na-O2电池上的应用研究
近日，吉林大学鄢俊敏教授等人，报道了一种简单的、低成本的合成策略，能够有效抑制Na-O2电池中Na枝晶的生长。实验采用无通孔纤维状的聚偏氟乙烯膜（f-PVDF）作为多功能阻隔膜。研究发现，f-PVDF与c-PVDF（孔状PVDF、聚环氧乙烷（PEO）、常规聚四氟乙烯（PTFE）材料相比，能够有效提高Na-O2电池的电化学性能（优异的倍率性能和87圈的循环性能）。实验结果如下：（1）与PEO膜中C-O官能团相比，更强的C-F极性功能团对Na离子具有较强的亲和力，使Na更均匀沉积；（2）f-PVDF与c-PVDF相比和p-PVDF相比，其膜材料能够吸收更多的电解质，进而提供后更高的离子电导率；（3）与PTFE膜相比，f-PVDF膜与电解质的之间具有良好润湿性有利于抑制钠树枝状结晶。相关成果以“Suppressing Sodium Dendrites by Multifunctional Polyvinylidene Fluoride (PVDF) Interlayers with Nonthrough Pores and High Flux/Affnity of Sodium Ions toward Long Cycle Life Sodium Oxygen-Batteries”为题发表在Advanced Functional Materials上。
图1 膜材料的SEM图像及其离子导电图
（a）c-PVDF的SEM图像；
（b）p-PVDF的SEM图像；
（c）f-PVDF的SEM图像；
（d）PEO薄膜的SEM图像；
（e）PTFE薄膜的SEM图像；
（f）在0.5 M NaCF3SO3/TEGDME溶液中，界面材料的导电性。
图2 对称电池设计的原理图及其膜上层的SEM图像
（a）对称电池设计的原理图，显示Na沉积行为的原理图；
（b）在电流密度0.5 mA·cm-2下，沉积3 mAh时后，c-PVDF膜上层的SEM图像；
（c）在电流密度0.5 mA·cm-2下，沉积3 mAh时后，p-PVDF膜上层的SEM图像；
（d）在电流密度0.5 mA·cm-2下，沉积3 mAh时后，f-PVDF膜上层的SEM图像；
（e）在电流密度0.5 mA·cm-2下，沉积3 mAh时后，PEO膜上层的SEM图像；
（f）在电流密度0.5 mA·cm-2下，沉积3 mAh时后，PTFE膜上层的SEM图像。
图3 Na-O2不同膜材料的电池性能图
（a）Na-O2电池于不同气氛中，电流扫描速率为0.1 mVs-1时，含有和不含有f-PVDF膜的CV图；
（b）Na-O2电池不同膜材料的倍率图；
（c）含有五层阻挡膜的Na-O2电池的循环次数与开始放电电压值图；
（d）不同电流密度下，含有和不含有f-PVDF阻挡膜的Na-O2电池的循环寿命图。
图4含有和不含有PVDF膜电池充电后的SEM及XRD图
（a）PVDF膜电池正极材料的首次1 C充电的SEM图；
（b）PVDF膜电池正极材料的首次20 C充电的SEM图；
（c）PVDF膜电池正极材料的首次40 C充电的SEM图；
（d）PVDF膜电池正极材料的首次80 C充电的SEM图；
（e）不含有PVDF膜电池正极材料的首次1 C充电的SEM图；
（f）不含有PVDF膜电池正极材料的首次20 C充电的SEM图；
（g）不含有PVDF膜电池正极材料的首次40 C充电的SEM图；
（h）不含有PVDF膜电池正极材料的首次80 C充电的SEM图；
（i）是（a-d）中电极材料的XRD图谱；
（k）是（e-h）中电极材料的XRD图谱。
图5 CNTs负极材料循环过程中的SEM及其XRD图
（a）第1次放电前，CNTs负极材料的SEM图像；
（b）第1次充电后，CNTs负极材料的SEM图像；
（c）第40次充电后，CNTs负极材料的SEM图像；
（d）第80次放电前，CNTs负极材料的SEM图像；
（e）充放电循环过程中，CNTs负极材料的XRD图谱；
（f）循环40圈后，CNTs负极材料的1H-NMR谱图。
纤维状的PVDF膜含有较强的C-F官能团，本文第一次采用这种材料作为膜抑制Na枝晶形成。纤维状的PVDF膜使Na-O2电池具有很好的电化学性能，例如：远高于同类材料40圈的循环寿命，其可达87圈。稳定的金属-空气条件下，均匀结构的f-PVDF膜有利于Na+的分布；有利于电解质对电极-电解质接触的高吸收；有利于其稳定的物理和化学性质，有利于强的亲和力用电解质改善离子电导率。本文将为发展高寿命的碱金属电池提供指导。
论文链接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201703931/full
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