基于聚合物電解質(zhì)和普魯士藍正極的低工作溫度、高倍率和長壽命固態(tài)鈉離子電池（HQ-NaFe）

聚合物固態(tài)電解質(zhì)（SPEs）與常規(guī)的陶瓷基固態(tài)電解質(zhì)相比，具有較高的柔韌性和良好的電極界面接觸。在大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用中，具有高室溫、低溫離子電導(dǎo)率的SPEs固態(tài)電解質(zhì)，有助于擴展電池的工作溫度范圍并提高循環(huán)壽命；具有良好熱穩(wěn)定性的SPEs可以減少因熱失控導(dǎo)致的安全問題；寬的電化學穩(wěn)定窗口可以有助于克服SPEs與正極之間發(fā)生的副反應(yīng)；另外合成工藝簡單的SPEs，可以保證大規(guī)模制備并降低制造成本。因此，開發(fā)滿足以上特點的SPEs是明智的選擇。盡管Na+的正極材料已經(jīng)得到了廣泛的研究，但仍迫切需要開發(fā)具有長壽命、高可逆容量和高庫侖效率的正極材料。普魯士藍是鈉離子電池的傳統(tǒng)正極材料，它具有開放的框架和可嵌入/脫出Na+的活性位點；并且具有理論容量高與合成工藝簡單，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)勢。但是，它的實際容量低、容量衰減快和庫侖效率低的弱勢限制了其應(yīng)用。因此，本文開發(fā)了一種新型基于SPEs（稱為PFSA-Na膜）與普魯士藍正極材料（HQ-NaFe）的固態(tài)鈉離子電池，并獲得了**的電化學性能。

近日，某大學課題組為了解決傳統(tǒng)液體電解質(zhì)引起的嚴重安全問題，探索了一種用于固態(tài)鈉離子電池（SSIBs）的固態(tài)聚合物電解質(zhì)（PFSA-Na膜）。這種PFSA-Na膜采用經(jīng)濟環(huán)保的方法合成，在寬溫度范圍內(nèi)具有高的離子電導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性和機械柔韌性�；�于PFSA-Na膜和普魯士藍正極的SSIBs，在8 C時具有87.5 mAh g-1的倍率性能，在1 C時具有高達1100圈的長循環(huán)壽命，每圈的容量衰減僅為≈0.014％。此外，PFSA-Na膜在-35°C的較低溫度下，使SSIB的循環(huán)性能比液態(tài)鈉離子電池更穩(wěn)定。

圖 1 PFSA-Na膜的電化學性能表征

（a）離子交換過程的示意圖；

（b）Arrhenius圖和相應(yīng)的交流阻抗譜；

（c）離子電導(dǎo)率與已發(fā)表文章的性能比較圖；

（d）電化學穩(wěn)定性以及與已發(fā)表文章的性能對比圖；

（e）在0.5 mA cm-2的電流密度下，對稱Na離子電池的恒電流循環(huán)測試。

圖 2 HQ-NaF電極的結(jié)構(gòu)表征

（a）HQ-NaFe的FESEM圖像；

（b）HQ-NaFe的XRD圖譜；

（c，d）HQ-NaFe的XPS譜圖：（c）Fe 2p；（d）N 1s。

通過一種簡便的離子交換與溶液刮涂法制備了聚合物固態(tài)電解質(zhì)（PFSA-Na膜），具有很高工業(yè)生產(chǎn)價值。這種PFSA-Na膜在很寬溫度范圍內(nèi)具有高離子電導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性和低溫性能。基于PFSA-Na電解質(zhì)和HQ-NaFe正極的SSIBs表現(xiàn)出**的循環(huán)穩(wěn)定性，高的倍率性以及室溫下約100％的高庫侖效率。最重要的是，基于PFSA-Na膜的SSIBs，在-35°C下仍具有穩(wěn)定的循環(huán)表現(xiàn)。本文中所提供的PFSA-Na膜是一種極具前景的鈉離子電池固態(tài)電解質(zhì)，且本文所組裝的SSIBs為大規(guī)模儲能系統(tǒng)提供了新選擇。

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