Nanofiber matrix composite electrolyte for regulating ion distribution in fast kinetic sodium-ion batteries operating at wide temperatures

材料科学 电解质 离子 复合数 纳米纤维 离子电导率 静电纺丝 陶瓷 电导率 化学工程 复合材料 聚合物 电极 物理化学 冶金 有机化学 化学 工程类
作者
Shuanglin Wu,Chenhao Ji,Feng Tang,Leibing Zhang,Kaiyang Fang,Fenglin Huang,Qufu Weı
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:67: 103308-103308 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103308
摘要

Sodium-ion batteries (SIBs) address lithium-ion safety concerns but have lower energy density due to the larger ion, which can be alleviated by solid-state electrolytes (SSEs) but introduces challenges, such as reduced ionic conductivity at lower temperatures. A scalable electrospinning and quick UV-curing approach were used to fabricate a cost-effective ceramic nanofiber matrix composite electrolyte. The polymer segment chain contains carbonyl and ester groups that serve as Na+ hopping sites, while cationic ions on the ceramic SiO2 nanofiber (SNF) surface aid in anion fixation, resulting in a boosting sodium ionic conductivity (0.075 mS cm−1) even at −40 °C. Transverse abnormalities in the solid electrolyte cause unequal ion distribution and transport, which affects battery cycle performance. The three-dimensional SNF solves these problems, theoretically confirmed using COMSOL, resulting in 5400 h of steady plating/stripping at 5 mA cm−2. The half cell retains 90.2 % capacity after 1500 cycles at 26 °C and 0.5 C, while the pouch full cell has a 162.6 Wh kg−1 energy density and operates reliably from 0.2 to 15 C and −40 to 80 °C. This study provides insights for designing and applying SSEs in industrial-grade SIBs at various temperatures.
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