文章导读
固态钠金属电池的“高速公路”堵车了？传统凝胶电解质中填料易团聚、含量低，严重拖累了电池的快充与寿命。西安交大徐友龙教授团队刚刚破解了这一难题，他们设计出一种创新的分级骨架，将关键填料的负载量大幅提升至50%，并利用原位聚合技术构筑了稳固的离子通道。这项突破让电池实现了高达1.73 mS cm⁻¹的离子电导率，在接近极限的33C超高倍率下仍能稳定工作，循环千次后容量保持率超82%。这不仅为固态钠电池的性能飞跃提供了全新方案，更展示了一条可扩展的高性能电解质设计路径。
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凝胶复合固态电解质（GCSEs）兼具高离子电导率和良好的界面相容性，在固态钠金属电池中具有巨大的应用潜力。然而，GCSEs中磷硅酸锆钠（NZSP）填料含量低和普遍存在的团聚现象限制了其有效利用，显著降低了离子传输效率和结构一致性，从而影响电池的倍率特性和长期稳定性。
对此，西安交大徐友龙教授团队提出了一种分级“骨架优化-原位聚合”策略来构建高性能的GCSEs。该策略的核心是利用硅烷偶联剂KH550对NZSP填料进行表面功能化，改善填料在PVDF-HFP基体中的分散性。在此基础上，采用非溶剂诱导相分离（NIPS）技术制备了三维多孔骨架，实现了高达50 wt%的填料负载量，且不影响结构完整性和柔韧性。随后，该骨架和以ETPTA为交联单体，AIBN为引发剂的传统NaPF6电解液在加热条件下原位生成交联凝胶网络。该过程有效去除了残留溶剂，并减轻了钠金属界面处的副反应，同时保持了紧密的界面接触。所得GCSE实现了高达1.73 mS cm-1的离子电导率，对称Na||Na电池在0.1 mA cm-2的电流密度下稳定运行超过1500小时，以NVPF为正极的固态钠金属电池在33 C（6.40 A g-1）的高倍率下可提供接近100 mAh g-1的比容量，并在7 C倍率下循环1000次后容量保持率为82%，展现了优异的快充性能和循环稳定性。该设计不仅显著提升了固态钠金属电池的性能，而且展示了一种可扩展的设计框架，可用于构建稳定的、高导电性的电解质，并为固态金属电池的开发开辟了新的途径。
近日，该研究成果以《通过填料表面改性和原位聚合实现高性能固态钠金属电池的分级骨架电解质设计》（Hierarchical Skeleton-Design for High-Performance Solid-State Sodium Metal Batteries Enabled by Filler Surface Modification and In Situ Polymerization）为题发表在国际能源材料领域著名期刊《纳米能源》（Nano Energy）上。电子学院博士生王沛峰为论文第一作者，西安交通大学电子学院徐友龙教授为论文通讯作者。西安交通大学为论文唯一通讯单位。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划的资助。论文测试表征得到了西安交通大学国家储能技术产教融合创新平台和西安交通大学分析测试共享中心的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111629
徐友龙教授团队主页：https://gr.xjtu.edu.cn/web/ylxu
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