东北师大吴兴隆教授团队 Angew：钠离子电池用纤维素隔膜的聚合物改性与“孔隙-跳跃”离子传输

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近些年来，随着对大规模储能的需求日益增加，钠离子电池(SIBs)的改进和性能提升成为了研究重点。隔膜作为分离电池正负极的重要组成部分，在提高钠离子电池的性能和安全方面扮演重要的角色，其中，纤维素是一种极具吸引力的可持续隔膜材料，然而，低离子电导率和相对较低的机械强度等问题仍然是影响纤维素基隔膜应用的挑战。近日，东北师范大学吴兴隆教授团队采用纤维素基隔膜(CP)与聚碳酸丙烯酯(PPC)浸渍固化制备了复合隔膜(CP@PPC)。在PPC的协助下，CP@PPC不仅通过“空隙-跳跃”离子传输新机制开辟了额外的Na+迁移路径，还实现了柔性、安全、环保的高性能隔膜。

PPC的修饰对于纤维素基隔膜是多功能、高效率的。首先PPC凭借着与酯类电解液相似的极性，实现了CP@PPC的高电解液润湿性。同时，PPC与纤维素分子链之间产生的分子间作用力，赋予材料以柔性、高机械强度以及优异的热稳定性。此外，PPC链段上大量比-OH更稳定的-O-，使CP@PPC具有更宽的电化学稳定窗口。

不仅如此，在PPC的帮助下，更多的游离Na⁺在电荷输运过程中容易通过隔膜，从CP@PPC隔膜中结构调制的内部推力中获胜。CP@PPC中Na⁺的输运模式结合了CP隔膜的“孔隙输运”和PPC电解质的“跳跃输运”，以全新的“空隙-跳跃”机制进行离子传输。当PPC在“狭窄”的CP孔隙中扩散时，PPC链上的羰基官能团为那些“低效或无效”的Na⁺运输开辟了另一条离子运输路径，并变相克服了CP孔径“狭窄”的高障碍限制，从而增加了离子通量，撬开了CP隔膜中Na⁺运输的“闸门”。
最终，该CP@PPC在NVPOF||CP@PPC||CC全电池应用中表现出高的比容量，良好的倍率性能和优异的循环稳定性。带有聚合物电解质类似物的隔膜修饰设计不仅照亮了高通量SIBs的前进道路，也为其他电池体系的隔膜设计提供了思路。
文章的第一作者是东北师范大学的博士研究生杨佳霖和博士研究生赵欣欣。

论文信息

“Pore-Hopping” Ion Transport in Cellulose-Based Separator Towards High-Performance Sodium-Ion Batteries

Jia-Lin Yang, Xin-Xin Zhao, Wei Zhang, Kai Ren, Xiao-Xi Luo, Jun-Ming Cao, Shuo-Hang Zheng, Wen-Liang Li, Prof. Xing-Long Wu

Angewandte Chemie International Edition

https://doi.org/10.1002/anie.202300258

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