【研究背景】

聚合物固态电解质相比传统的液态电解液具有更好的热稳定性，并且相比陶瓷电解质更易于大规模生产，具有广阔的市场前景和应用潜力。但是，越来越多的研究表明，聚合物固态电解质和其他电池组件（例如电极和电解质填充物）之间的不稳定性会阻碍其实际应用。

【工作介绍】

近日，来自华北理工大学刘山教授、昆明理工大学梁风教授以及浙江大学陆俊教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“A Novel Super-Toughness and Self-Healing Solid Polymer Electrolyte for Solid Sodium Metal Batteries”的观点文章。该观点文章尝试将液态金属纳米颗粒引入到聚合物固态电解质中，在提高电解质本身的力学性能下，赋予界面自修复的特性。

【内容表述】

在固态聚合物电解质中引入填料是有效提高固态电解质电导率和拓宽电化学窗口的手段，但传统固体填料有其无法规避的问题，如损失聚合物电解质的韧性等。本研究首次将液态金属纳米颗粒引入到了聚合物固态电解质中。实验结果表明，液体金属颗粒不仅可以减弱钠离子与聚合物的相互作用、降低钠离子传输的能垒。同时，其优异的室温力学与电驱特性可以显著提升电解质本身的力学性能，并赋予了电解质与金属电极间良好的界面自修复的特性，从而实现了固态金属钠电池循环稳定性显著提升的目标。

1. 金属钠/聚合物固态电解质界面的自修复特性

由于液态金属的天然的自愈性，其通过与枝晶发生合金化/脱合金化，赋予了阳极界面自修复特性。此外，在电池循环过程中，即使会有一部分的钠枝晶与金属钠阳极发生断裂脱离，造成活性金属钠损失(“死”钠)，借助液态金属的溶解和场驱动特性，也可以在一定程度上实现界面的可逆修复。

图2 液态金属的电驱特性赋予阳极界面的自愈性机理示意图

2. 液态金属填料增强聚合物电解质力学性能

当聚合物电解质受到由于金属钠负极体积波动及枝晶生长导致的外力时，在聚合物网络中的液体金属纳米颗粒可以在变形期间被重定向，并且进一步影响在大变形下柔性基体的损伤机制。聚合物基体获得了对缺口不敏感的特性，这可以有效地减少应力集中的危害。这是传统固态填料不具备的。通过引入适量的液态金属纳米颗粒，杨氏模量可以达到30.97 MPa，比纯PEO高出2.13倍，断裂伸长率接近100%。此外，最大穿刺力可以达到4.75 N。

图3 a) 含传统固态填料的聚合物电解质受力时内部示意图 b) 含液态金属填料的聚合物电解质受力时内部示意图

图4 a) 三种不同聚合物电解质拉伸测试的应力-应变图 b) 含液态金属的聚合物电解质的拉伸实拍照片

3. 一“举”两“得”提高电池循环寿命

得益于液态金属填料的独特性质，使得固态聚合物电解质的力学性能显著提高，并赋予了其与负极界面具备一定的自修复特性，使得电池的循环寿命得到了大幅度的提高。设计的电解质的对称电池可以在0.1和0.2 mA cm-2的电流密度下稳定循环超过1800小时和800小时。

图5 a,b) 对称电池在0.1和0.2 mA cm-2的电流密度下的循环时间-电压曲线

【结论】

在聚合物电解质中引入液态金属填料是一种简易有效地提高聚合物电解质力学性能及电池稳定性的手段，结果表明，液态金属纳米颗粒作为一种性能增强填料，显著提升了固态聚合物电解质的性能，为开发高性能的SSMBs提供了新的思路。

Jing Suo, Yaya Jia, Xinxin Zhu, Shan Liu, Xianjian Tang, Feng Liang, Ling Wang, Jun Lu, A Novel Super-Toughness and Self-Healing Solid Polymer Electrolyte for Solid Sodium Metal Batteries, Advanced Materials, 2024, https://doi.org/10.1002/adma.202409587

文章来源：能源学人

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