Coordinated Na+ Diffusion and Multiscale Interfacial Engineering of Polymer Electrolyte for Room‐Temperature Solid Sodium Metal Batteries

材料科学 电解质 化学工程 聚合物 离子电导率 阴极 高分子化学 电极 复合材料 物理化学 遗传学 生物 工程类 化学
作者
Yuxiang Guo,Jiacheng Liu,Ahu Shao,Cheng Lü,Jiawen Tang,Yaxin Zhang,Zhiqiao Wang,Yunsong Li,Yingche Wang,Helin Wang,Chunwei Li,Ting Liu,Xiaodong Zhao,Yue Ma
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202405104
摘要

Abstract Thin‐layer composite polymer electrolytes (CPEs) provide a safer alternative to flammable liquid electrolytes for all‐solid‐state sodium metallic batteries (ASSMBs) prototyping. However, conventional CPE designs suffer from insufficient ionic conductivities, oxidation upon high‐voltage and uncontrolled dendrite growth. Herein, an interpenetrating approach by incorporating an optimized amount of acrylamide (AM) monomers polymerized within polyethylene oxide (PEO) matrix is proposed. The amide groups within tangled PEO/poly(acrylamide) (PAM) segments facilitate the NaTFSI salt dissociation through the coordination between CO═Na + and N─H/TFSI − interactions, meanwhile boosting Na + conduction along the ethylene oxide chains. Integrated with bacterial cellulose scaffold for mechanical reinforcement, the CPE membrane reconciles the tensile strength, ionic conductance and transference number. Robotic‐arm controlled spray coating applies 4,4′‐(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride (6FDA) and 1,2‐dibromobenzene (1,2‐DBB) onto opposite sides of the PEO/PAM‐BC membrane. The electron‐withdrawing 6FDA layer promotes a NaF‐rich cathode interface with 4.74 V tolerance, while the electron‐accepting 1,2‐DBB creates a NaBr‐rich layer that mitigates the Na + diffusion barrier. In the ASSMB configuration, the prototype demonstrates 85.4% capacity retention over 500 cycles at room‐temperature and wide‐temperature‐range adaptability from 0 to 80 °C. Transmission‐mode X‐ray diffraction reveals reversible lattice breathing of the paired cathode, which highlights the synergistic Na diffusion and stabilized interfaces across scales for the practical CPE design.
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