大連化物所等提出二維介孔材料保護鈉金屬電池負極新策略

大連化物所等提出二維介孔材料保護鈉金屬電池負極新策略

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F隊、催化新過程放大與開發(fā)研究組研究員葉茂團隊，與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授余彥團隊合作，提出了一種有序介孔聚多巴胺-石墨烯納米片保護金屬鈉策略，獲得了高穩(wěn)定、無枝晶的鈉金屬負極，構(gòu)筑出高性能長循環(huán)鈉金屬電池。

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，被認為是頗有競爭力的高比能鈉電池負極材料，而其高的反應(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)致鈉金屬負極面臨庫倫效率低、循環(huán)性能差和安全風(fēng)險高等問題。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)用研究的瓶頸。

近日，該合作團隊開發(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（-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，構(gòu)筑出多功能的隔膜涂層，從而獲得了高穩(wěn)定、無枝晶的鈉金屬負極。研究利用理論計算和實驗，證明了二維介孔聚多巴胺-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)可從化學(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)異的鈉金屬負極。以此鈉金屬負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)研究成果以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。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、大連化物所科研創(chuàng)新基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院-榆林學(xué)院聯(lián)合基金等的資助。