便攜式3C電子產(chǎn)品、電動汽車和智能電網(wǎng)的快速發(fā)展刺激了現(xiàn)代社會對低成本、高能量密度電池的迫切需求。金屬鈉具有理論比容量高(1166mAh/g)、氧化還原電位低(-2.714V vs. SHE)、資源豐富和價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種非常有競爭力的高比能鈉電池負(fù)極材料。但是，其高的反應(yīng)活性、大的體積變化、不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面和不可控的枝晶生長，導(dǎo)致鈉金屬負(fù)極面臨庫倫效率低、循環(huán)性能差和安全風(fēng)險高的問題。因此，如何通過設(shè)計合理的功能組分，從化學(xué)分子和物理結(jié)構(gòu)水平上調(diào)控鈉離子的沉積行為，實(shí)現(xiàn)均勻的鈉沉積，延長其循環(huán)壽命是目前鈉金屬電池應(yīng)用研究的主要瓶頸之一。
最近，該合作團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種具有可定義孔徑和片厚的二維介孔聚多巴胺-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用聚多巴胺分子中豐富的親鈉官能團(tuán)(-OH、C=O和-NH-)，二維介孔的鈉離子有序通道和缺陷石墨烯的均勻納米篩的共同作用，成功構(gòu)筑出多功能的隔膜涂層，從而獲得了高穩(wěn)定、無枝晶的鈉金屬負(fù)極。該工作通過理論計算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，證明了二維介孔聚多巴胺-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以從化學(xué)分子和物理結(jié)構(gòu)水平上調(diào)控鈉離子的沉積行為，最終可獲得庫侖效率高、循環(huán)穩(wěn)定性長、倍率性能優(yōu)異的鈉金屬負(fù)極。以此鈉金屬負(fù)極組裝成的全電池表現(xiàn)出顯著提高的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。該工作為新型二維介孔功能材料的設(shè)計與合成，以及高能量密度、長循環(huán)壽命金屬電池的構(gòu)筑提供了一定的科學(xué)依據(jù)。
相關(guān)成果以“Achieving stable Na metal cycling via polydopamine/multilayer graphene coating of a polypropylene separator”為題，發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。該工作的第一作者是我所508組秦潔瓊博士、石浩東博士和DNL1206組黃凱博士。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、我所科研創(chuàng)新基金、以及中國科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院-榆林學(xué)院聯(lián)合基金等項(xiàng)目的資助。(文/圖 秦潔瓊、石浩東)
