【研究背景】钠资源丰富，分布广泛，成本低廉使钠离子电池在未来的市场竞争中占据有利地位。但由于液体电解液存在有机溶剂易燃性和泄漏风险，采用固态电解质是解决上述问题的有效策略。聚合物固态电解质(SPE)因其优异的柔韧性和易于制造等优点脱颖而出。然而，聚合物电解质较低的室温离子电导率和离子迁移数极大限制了其实际应用，低温条件下离子迁移更加困难。此外，固态电解质与钠金属负极的界面问题加剧了枝晶的生长。如何解决上述科学问题和技术难题是该论文的研究核心。【工作介绍】近日，江南大学黄锋林等人利用简单的原位紫外固化法构建纳米纤维基聚合物复合电解质（PSAMCE-AlF3），以促进Na+传输和改善界面兼容性。机理分析表明电解质中的酰胺基团促进了钠盐的解离，含氧羰基官能团通过不断地与钠离子络合和解离实现对钠离子的连续性传导。分子动力学模拟进一步证明了该聚合物电解质的快离子传输特性。此外电解质界面处无粘结剂超薄功能层AlF3功能层作为离子自分布器，以促进更阳极界面处均匀和快速的Na+通量，它可以在界面处释放并重新分配积累的电子，与Na+发生反应，形成NaF SEI层，抑制了枝晶的形成。该复合电解质在Na/Na对称电池中实现了5500 h的超稳定钠电镀/剥离循环。离子迁移数从0.37提升到0.63，在−30℃时，离子电导率达0.153 mS cm−1。Bi//NVP全电池和Na//NVP半电池倍率性能测试进一步验证了该复合电解质的宽温域适用性。该文章发表在国际顶级期刊Adv. Energy Mater.上。博士生武双林为本文第一作者。【内容表述】论文通过在SiO2纳米纤维浇铸聚合物前驱体溶液，然后通过简单的原位紫外固化法构建了复合电解质PSAMCE-AlF3。示意图展示了PSAMCE的结构以及官能团与阴离子和阳离子的相互作用机理。聚合物中来自MBA单元上的酰基氨基(O=C–NH)能促进钠盐的解离，并固定阴离子。来自AAEM单元的羰基(–C=O)和酯基(–COOR)通过与Na+的持续配位和解离，为Na+提供了快速的转运途径。得益于钠盐的解离、阴离子的固定和官能团赋予的阳离子的传导性，PSAMCE表现出优良的离子导电性和较高的离子转移数。PVDF-HFP进一步提高了电解质的力学性能。图1 制备流程及机理示意图图2 复合电解质的结构组分表征陶瓷二氧化硅纳米纤维作为电解质的刚性骨架与聚合物一起形成了一种钢筋混凝土结构，不但赋予电解质结构稳定性，并且是电解质具有优异的阻燃性，保证了其高温安全性能。得益于官能团对钠盐的解离和对阳离子的传导，-30 ℃时，PSAMCE-AlF3的离子电导率相比于PVDF-HFP提高了40.4%，活化能低于0.22 eV。图3 复合电解质的热稳定性及不同温度下的离子电导率测试分子动力学模拟验证了该复合电解质较快的离子迁移特性。RDF结果（支撑文件）展示了离子的配位环境，进一步验证了离子传输机理。图4 分子动力学模拟图5 电化学性能测试该PSAMCE-AlF3的电化学稳定窗口达到了5V。Na//Na对称电池在1 mA cm-2和2 mA cm-2的电流密度下实现了5500h的超稳定电镀/剥离循环。Na//NVP 电池循环1000次仍能保持99.7 mAh g−1的比容量，每圈的容量衰减率仅为0.0085%，库伦效率接近100%。Bi//NVP全电池在0.1 C下初始放电比容量达377.7 mAh g−1，0.05-10 C的倍率性能测试结果进一步证明了复合电解质的宽温应用适应性。图6 电化学性能测试【结论】本研究报告了一种耐极端条件的快速Na+传导纳米纤维基质复合电解质(PSAMCE-AlF3)。其主要优势体现在:(1) 开发了含陶瓷SiO2纳米纤维和柔性聚合物基体的刚柔耦合PSAMCE形成了“钢筋混凝土”结构。该具有较低的玻璃化转变温度和阻燃性，实现了高效的低温离子传输和高温安全性能;(2) 阐明了电解质中酰氨基(O=C-NH)的钠盐解离作用机理。基团提供更多游离Na+，羰基和酯基(-C =O，-COOR)的阳离子配位相互作用导致了较高的离子转移数（0.63）和在-30℃时0.153 mS cm−1的高离子电导率;(3) 解决了电池内部界面功能层脱粉的技术难题。通过在PSAMCE表面上磁控溅射AlF3功能层，获得了具有超稳定镀/剥离循环性能的无枝晶Na金属阳极;(4) 改善了固态电解质在超低温条件下的充放电性能。含Na//NVP和Bi//NVP的电池在0.05 ~ 10℃、-30℃~ 130℃具有优异的倍率性能。Shuanglin Wu, Zhifeng Yu, Xiaolin Nie, Zhihui Wang, Fenglin Huang,* and Qufu Wei, Fast Ion Conduction Nanofiber Matrix Composite Electrolyte for Dendrite-Free Solid-State Sodium-Ion Batteries with Wide Temperature Operation, Adv. Energy Mater. 2022.https://doi.org/10.1002/aenm.202202930.作者简介黄锋林，江南大学教授，博士生导师，江南大学纺织科学与工程学院副院长。主持国家自然科学基金、江苏省重点研发计划、江苏省社会发展项目、中国博士后科学基金特助基金等国家和省部级项目10余项。获高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖、中国商业联合会科学技术奖一等奖、江苏省科技进步三等级、中国纺织工业联合会科技进步三等奖等。主要致力于功能纤维材料，纳米结构纺织材料，电池隔膜等领域的研究，迄今在Adv. Energy Mater., Advanced Functional Materials, Energy Environ. Mater.，Small，Carbon, ACS Sustainable Chem. Eng. Carbohydr. Polym.等国际著名期刊发表学术论文130余篇。