Ultra‐Thin Single‐Particle‐Layer Sodium Beta‐Alumina‐Based Composite Polymer Electrolyte Membrane for Sodium‐Metal Batteries

电解质 材料科学 化学工程 复合数 复合材料 化学 电极 冶金 工程类 生物化学 物理化学
作者
Ruyi Fang,Yutao Li,Nan Wu,Biyi Xu,Yijie Liu,Arumugam Manthiram,John B. Goodenough
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (6) 被引量:47
标识
DOI:10.1002/adfm.202211229
摘要

Abstract Inorganic/organic composite polymer electrolytes (CPEs) with good flexibility and electrode contact have been pursued for solid−state sodium‐metal batteries. However, the application of CPEs for high energy density solid−state sodium‐metal batteries is still limited by the low Na + conductivity, large thickness, and low ion transference number. Herein, an ultra‐thin single‐particle‐layer (UTSPL) composite polymer electrolyte membrane with a thickness of ≈20 µm straddled by a sodium beta−alumina ceramic electrolyte (SBACE) is presented. A ceramic Na + ‐ion electrolyte that bridges or percolates across an ultra‐thin and flexible polymer membrane provides: 1) the strength and flexibility from the polymer membrane, 2) excellent electrolyte/electrode interfacial contact, and 3) a percolation path for Na + ‐ion transfer. Owing to this novel design, the obtained UTSPL‐35SBACE membrane exhibits a high Na + ‐ion conductivity of 0.19 mS cm −1 and a transference number of 0.91 at room temperature, contributing to long−term cycling stability of symmetric sodium cells with a small overpotential. The assembled quasi‐solid‐state cell with the as−prepared UTSPL‐35SBACE membrane displays superior cycling performance with a discharge capacity of 105 mAh g −1 at 0.5 °C rate after 100 cycles and excellent rate performance (82 mAh g −1 at 5 °C rate) at room temperature with the potassium manganese hexacyanoferrate (KMHCF)@CNTs/CNFs cathode, where KMHCF refers to potassium manganese hexacyanoferrate.
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