华中大郭新教授、杨辉教授 AFM：通过调控离子溶剂化结构稳定钠金属负极

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近期，华中科技大学郭新教授、杨辉教授在准固体聚合物电解质稳定钠金属负极方面取得新进展，探索了准固体聚合物电解质中丙烯酸酯衍生聚合物对Na⁺配位结构、沉积行为以及对钠金属电池性能的影响。相关研究成果发表以题“Regulating Na-ion Solvation in Quasi-Solid Electrolyte to Stabilize Na Metal Anode”发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上。华中科技大学周晓燕博士、李卓博士为共同第一作者。此研究得到国家自然科学基金等资助和支持

图1. 电解质的物理化学性质：（a） QSE膜的光学照片；（b）QSE膜的表面和截面（插图）SEM图；（c） QSE在-30至80 ℃温度范围内的阻抗谱；（d）QSE和LE的log σ-T^-1图（球形）和相应的VTF拟合结果（实线）；（e）Na|QSE|Na电池极化曲线，插图：极化前后的阻抗谱；（f） QSE膜的LSV和CV（插图）曲线

作者通过原位引发丙烯酸酯聚合制备QSE，其具有高室温离子电导率：1.4 mS cm⁻¹@25℃，高钠离子迁移数：0.52，宽电化学窗口为：~ 4.8 V（vs Na⁺/Na）。

图2 电解质在Na||Na电池的循环与沉积：（a）使用LE和QSE的Na||Na电池在0.1 mA cm^–2下的循环性能（插图：100–110 h和1980–1990 h的放大图）。（b）LE和（c）QSE中不同沉积时间的Na 电极表面形貌。（d）使用LE和QSE的Na||Na电池在-0.15 V下的无量纲极化曲线。（e）LE和（f）QSE中Na电极表面的Na沉积示意图。

相比于传统的LE，采用QSE组装的对称Na||Na电池能够稳定循环超过2000 h而无Na枝晶生成。在沉积过程中，QSE中Na金属电极表面具有更为均匀致密的Na沉积。使用SEM对沉积过程中Na电极表面进行形貌表征，表明QSE中Na金属电极表面具有相较于LE更为均匀致密的Na沉积。

图3电解质的溶剂化结构与沉积行为：使用LE和QSE的Na||Na电池的（a）交换电流密度和（b）表观活化能；（c） LE、QSE、不含LE的QSE、NaClO₄和PC在940-980和1620-1760 cm^-1范围内的Raman谱；（d） Na⁺-PC和Na⁺-DEGDA的构型和相应的结合能；（e）LE和（f）QSE中的优化Na⁺溶剂化结构以及相应的去溶剂化能

实验和理论计算表明，QSE中，丙烯酸酯衍生交联网络中的羰基（C=O）参与Na⁺配位，削弱Na⁺与溶剂分子的相互作用，从而有利于Na⁺的去溶剂化，促进Na⁺沉积动力学，抑制枝晶生长。

图4 NVP||Na电池的电化学性能：（a）NVP|QSE|Na电池在不同速率下的恒流充放电曲线；（b）NVP|QSE|Na电池的倍率性能；使用LE和QSE的NVP||Na电池的（c）循环性能和（d）在不同循环后的R_SEI和R_ct；（f）在平坦、弯曲和未弯曲状态下，NVP|QSE|Na软包电池在1C下的循环性能；（g）NVP|QSE|Na软包电池在平坦、折叠、展开和切割状态下的性能。

所制备QSE组装的NVP||Na电池具有优异的倍率和循环性能。在1 C和在15 C下的放电比容量分别为109.5 mA h g⁻¹和 66.1 mA h g⁻¹，显示出优异的倍率性能；在5 C倍率下循环1000次后仍能保持83%的初始容量，显示出良好的长期循环稳定性。此外，NVP|QSE|Na软包电池在在平坦、折叠、展开和切割状态下均能点亮LED灯，突出了电池优越的安全性和稳定性。

作者简介

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郭新教授，特聘专家，华中科技大学材料学院二级教授，中国固态离子学会理事，国际期刊“Solid State Ionics”编委，国际固态离子学会（International Society for Solid State Ionics）学术奖评审委员。回国前任德国于利希研究中心（Research Center Juelich）终身高级研究员，之前，他曾在德国马普固体研究所（Max Planck Institute for Solid State Research）从事研究工作多年。2005年获美国陶瓷协会Ross Coffin Purdy Award。2012年全职回国后创建了“固态离子学实验室”，其研究领域可概括为“固态离子导体与混合导体及其在能源、信息与环境等领域的应用”，具体研究领域有: 1.固体电解质及固态电池，2.类脑器件与脑启发式人工智能，3.气敏传感器及人工嗅觉，4.功能器件的3D打印。

课题组长期招聘硕士、博士、博士后，待遇优厚。有意者请将详细的个人简历（包含发表论文、推荐人姓名、联系方式及其他能证明个人能力水平的有关资料）的电子版本发送至：[e-mail]

实验室主页：http://www.hust-ssi.cn/

杨辉教授，华中科技大学航空航天学院教授。2006年获华中科技大学工程力学学士学位，2010年和2014年先后在美国宾夕法尼亚州立大学获得工程力学硕士学位和工程科学与力学博士学位。2015年1月至2017年9月分别于美国宾夕法尼亚州立大学、美国西北大学、塔夫茨大学从事博士后研究工作。在固体力学、材料动力学、材料本构理论、电化学等方面取得了一批创新性成果，在Journal of the Mechanics and Physics of Solids、Nature Communications等期刊发表论文20多篇，文章引用超过1100次。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212866

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