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Molecular Tailoring of Succinonitrile Reshapes Na + Solvation and Interfacial Chemistry in High-Voltage Solid-State Polymer Electrolytes for Sodium Metal Batteries

丁二腈 电解质 溶剂化 离子电导率 聚合物 化学工程 材料科学 增塑剂 离子键合 电导率 无机化学 金属 化学 高分子化学 钠 分子动力学 离子液体 位阻效应 电极 快离子导体
作者
Hu Fu,Yuping Wu,Wenyu Xu,Bolin Li,Zhirong Chen,Qinran Zhang,Haichen Li,Hongming Zhou
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (40): 27348-27362
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c11895
摘要

Abstract Solid-state polymer electrolytes based on poly(ethylene oxide) are pivotal for high-safety, high-energy-density sodium metal batteries, yet suffer from inadequate room-temperature ionic conductivity and unstable electrode interfaces. Here, molecular tailoring of succinonitrile yields a novel plasticizer (SGa) featuring retained amide groups and a stable gauche conformation. This design suppresses the plasticizer self-aggregation within the poly(ethylene oxide) matrix, enhances polymer chain interactions, and optimizes Na+ solvation structures. Consequently, the resultant SPE achieves a high ionic conductivity of 0.352 mS cm–1 and a Na+ transference number of 0.71. Molecular dynamics simulations reveal that SGa weakens strong Na+ coordination while anchoring TFSI– anions, establishing a Na+-dominated fast conduction network. Crucially, the modified SPE induces a uniform, robust solid electrolyte interphase enriched in inorganic Na3N, significantly stabilizing the Na anode. Na3V2(PO4)3|SPE|Na cell delivers 90.6% capacity retention after 1500 cycles at 1 C (versus 485 cycles for the pristine system) and exhibits superior rate capability (61.42 mAh g–1 at 4 C) alongside high-voltage tolerance up to 4.5 V. Beyond addressing critical bottlenecks in sodium metal batteries, this work demonstrates the effectiveness of molecular customization in designing high-performance polymer electrolytes.
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