Enabling Further Organic Electrolyte Infiltration of Cellulose-Based Separators via Defect-Rich Polypyrrole Modification for High Sodium Ion Transport in Sodium Metal Batteries

聚吡咯 材料科学 电解质 分离器(采油) 化学工程 离子电导率 纤维素 电导率 聚合 无机化学 聚合物 电极 复合材料 化学 工程类 物理化学 物理 热力学
作者
Shengxiang Deng,Weijia Meng,Chang‐Chun Fan,Dapeng Zuo,Jun Han,Tongheng Li,Diansen Li,Lei Jiang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (4): 4708-4718 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsami.3c16220
摘要

Sodium metal batteries (SMBs) have high-density and cost-effective characteristics as one of the energy storage systems, but uncontrollable dendrite growth and poor rate performance still hinder their practical applications. Herein, a nitrogen-rich modified cellulose separator with released abundant ion transport tunnels in organic electrolyte was synthesized by in situ polymerization of polypyrrole, which is based on the high permeability of cellulose in aqueous solution and the interfacial interaction between cellulose and polypyrrole. Meanwhile, the introduction of abundant structural defects such as branch chains, oxygen-containing functional groups, and imine-like structure to disrupt polypyrrole conjugation enables the utilization of conductive polymers in composite separator applications. With the electrolyte affinity surface on, the modified separator exhibits reinforced electrolyte uptake (254%) and extended electrolyte wettability, thereby leading to accelerated ionic conductivity (2.77 mS cm-1) and homogeneous sodium deposition by facilitating the establishment of additional pathways for ion transport. Benefiting from nitrogen-rich groups, the polypyrrole-modified separator demonstrates selective Na+ transport by the data of improved Na+ transference number (0.62). Owing to the above advantages, the battery assembled with the modified separators exhibits outstanding rate performance and prominent capacity retention two times that of the pristine cellulose separator at a high current density under the condition of fluorine-free electrolyte.
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