大連化物所等提出二維介孔材料保護(hù)鈉金屬電池負(fù)極新策略

大連化物所等提出二維介孔材料保護(hù)鈉金屬電池負(fù)極新策略

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)、催化新過(guò)程放大與開(kāi)發(fā)研究組研究員葉茂團(tuán)隊(duì)，與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授余彥團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種有序介孔聚多巴胺-石墨烯納米片保護(hù)金屬鈉策略，獲得了高穩(wěn)定、無(wú)枝晶的鈉金屬負(fù)極，構(gòu)筑出高性能長(zhǎng)循環(huán)鈉金屬電池。

便攜式3C電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)和智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，刺激了現(xiàn)代社會(huì)對(duì)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是頗有競(jìng)爭(zhēng)力的高比能鈉電池負(fù)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(zhǎng)，導(dǎo)致鈉金屬負(fù)極面臨庫(kù)倫效率低、循環(huán)性能差和安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(tuán)隊(duì)開(kāi)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，構(gòu)筑出多功能的隔膜涂層，從而獲得了高穩(wěn)定、無(wú)枝晶的鈉金屬負(fù)極。研究利用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，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(kù)侖效率高、循環(huán)穩(wěn)定性長(zhǎng)、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(jì)與合成，以及高能量密度、長(zhǎng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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。