近日,吉林大學(xué)鄢俊敏教授等人,報(bào)道了一種簡(jiǎn)單的、低成本的合成策略,能夠有效抑制Na-O2電池中Na枝晶的生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)采用無(wú)通孔纖維狀的聚偏氟乙烯膜(f-PVDF)作為多功能阻隔膜。研究發(fā)現(xiàn),f-PVDF與c-PVDF(孔狀PVDF、聚環(huán)氧乙烷(PEO)、常規(guī)聚四氟乙烯(PTFE)材料相比,能夠有效提高Na-O2電池的電化學(xué)性能(優(yōu)異的倍率性能和87圈的循環(huán)性能)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:(1)與PEO膜中C-O官能團(tuán)相比,更強(qiáng)的C-F極性功能團(tuán)對(duì)Na離子具有較強(qiáng)的親和力,使Na更均勻沉積;(2)f-PVDF與c-PVDF相比和p-PVDF相比,其膜材料能夠吸收更多的電解質(zhì),進(jìn)而提供后更高的離子電導(dǎo)率;(3)與PTFE膜相比,f-PVDF膜與電解質(zhì)的之間具有良好潤(rùn)濕性有利于抑制鈉樹(shù)枝狀結(jié)晶。相關(guān)成果以“Suppressing Sodium Dendrites by Multifunctional Polyvinylidene Fluoride (PVDF) Interlayers with Nonthrough Pores and High Flux/Affnity of Sodium Ions toward Long Cycle Life Sodium Oxygen-Batteries”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。
圖1 膜材料的SEM圖像及其離子導(dǎo)電圖
(a)c-PVDF的SEM圖像;
(b)p-PVDF的SEM圖像;
(c)f-PVDF的SEM圖像;
(d)PEO薄膜的SEM圖像;
(e)PTFE薄膜的SEM圖像;
(f)在0.5 M NaCF3SO3/TEGDME溶液中,界面材料的導(dǎo)電性。
圖2 對(duì)稱(chēng)電池設(shè)計(jì)的原理圖及其膜上層的SEM圖像
(a)對(duì)稱(chēng)電池設(shè)計(jì)的原理圖,顯示Na沉積行為的原理圖;
(b)在電流密度0.5 mA·cm-2下,沉積3 mAh時(shí)后,c-PVDF膜上層的SEM圖像;
(c)在電流密度0.5 mA·cm-2下,沉積3 mAh時(shí)后,p-PVDF膜上層的SEM圖像;
(d)在電流密度0.5 mA·cm-2下,沉積3 mAh時(shí)后,f-PVDF膜上層的SEM圖像;
(e)在電流密度0.5 mA·cm-2下,沉積3 mAh時(shí)后,PEO膜上層的SEM圖像;
(f)在電流密度0.5 mA·cm-2下,沉積3 mAh時(shí)后,PTFE膜上層的SEM圖像。
圖3 Na-O2不同膜材料的電池性能圖
(a)Na-O2電池于不同氣氛中,電流掃描速率為0.1 mVs-1時(shí),含有和不含有f-PVDF膜的CV圖;
(b)Na-O2電池不同膜材料的倍率圖;
(c)含有五層阻擋膜的Na-O2電池的循環(huán)次數(shù)與開(kāi)始放電電壓值圖;
(d)不同電流密度下,含有和不含有f-PVDF阻擋膜的Na-O2電池的循環(huán)壽命圖。
圖4含有和不含有PVDF膜電池充電后的SEM及XRD圖
(a)PVDF膜電池正極材料的首次1 C充電的SEM圖;
(b)PVDF膜電池正極材料的首次20 C充電的SEM圖;
(c)PVDF膜電池正極材料的首次40 C充電的SEM圖;
(d)PVDF膜電池正極材料的首次80 C充電的SEM圖;
(e)不含有PVDF膜電池正極材料的首次1 C充電的SEM圖;
(f)不含有PVDF膜電池正極材料的首次20 C充電的SEM圖;
(g)不含有PVDF膜電池正極材料的首次40 C充電的SEM圖;
(h)不含有PVDF膜電池正極材料的首次80 C充電的SEM圖;
(i)是(a-d)中電極材料的XRD圖譜;
(k)是(e-h)中電極材料的XRD圖譜。
圖5 CNTs負(fù)極材料循環(huán)過(guò)程中的SEM及其XRD圖
(a)第1次放電前,CNTs負(fù)極材料的SEM圖像;
(b)第1次充電后,CNTs負(fù)極材料的SEM圖像;
(c)第40次充電后,CNTs負(fù)極材料的SEM圖像;
(d)第80次放電前,CNTs負(fù)極材料的SEM圖像;
(e)充放電循環(huán)過(guò)程中,CNTs負(fù)極材料的XRD圖譜;
(f)循環(huán)40圈后,CNTs負(fù)極材料的1H-NMR譜圖。
纖維狀的PVDF膜含有較強(qiáng)的C-F官能團(tuán),本文第一次采用這種材料作為膜抑制Na枝晶形成。纖維狀的PVDF膜使Na-O2電池具有很好的電化學(xué)性能,例如:遠(yuǎn)高于同類(lèi)材料40圈的循環(huán)壽命,其可達(dá)87圈。穩(wěn)定的金屬-空氣條件下,均勻結(jié)構(gòu)的f-PVDF膜有利于Na+的分布;有利于電解質(zhì)對(duì)電極-電解質(zhì)接觸的高吸收;有利于其穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì),有利于強(qiáng)的親和力用電解質(zhì)改善離子電導(dǎo)率。本文將為發(fā)展高壽命的堿金屬電池提供指導(dǎo)。
論文鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201703931/full