大連化物所等提出二維介孔材料保護鈉金屬電池負極新策略

大連化物所等提出二維介孔材料保護鈉金屬電池負極新策略

近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組研究員吳忠帥團隊、催化新過程放大與開發研究組研究員葉茂團隊，與中國科學技術大學教授余彥團隊合作，提出了一種有序介孔聚多巴胺-石墨烯納米片保護金屬鈉策略，獲得了高穩定、無枝晶的鈉金屬負極，構筑出高性能長循環鈉金屬電池。

便攜式3C電子產品、電動汽車和智能電網的快速發展，刺激了現代社會對低成本、高能量密度電池的迫切需求。金屬鈉具有理論比容量高（1166mAh/g）、氧化還原電位低（-2.714V vs. SHE）、資源豐富和價格低廉等優點，被認為是頗有競爭力的高比能鈉電池負極材料，而其高的反應活性、大的體積變化、不穩定的固體電解質界面和不可控的枝晶生長，導致鈉金屬負極面臨庫倫效率低、循環性能差和安全風險高等問題。設計合理的功能組分，從化學分子和物理結構水平上調控鈉離子的沉積行為，實現均勻的鈉沉積，延長其循環壽命是目前鈉金屬電池應用研究的瓶頸。

近日，該合作團隊開發出一種具有可定義孔徑和片厚的二維介孔聚多巴胺-石墨烯異質結構，利用聚多巴胺分子中豐富的親鈉官能團（-OH、C=O和-NH-），二維介孔的鈉離子有序通道和缺陷石墨烯的均勻納米篩的共同作用，構筑出多功能的隔膜涂層，從而獲得了高穩定、無枝晶的鈉金屬負極。研究利用理論計算和實驗，證明了二維介孔聚多巴胺-石墨烯異質結構可從化學分子和物理結構水平上調控鈉離子的沉積行為，最終可獲得庫侖效率高、循環穩定性長、倍率性能優異的鈉金屬負極。以此鈉金屬負極組裝成的全電池表現出顯著提高的循環穩定性和倍率性能。該工作為新型二維介孔功能材料的設計與合成，以及高能量密度、長循環壽命金屬電池的構筑提供了一定的科學依據。

相關研究成果以Achieving stable Na metal cycling via polydopamine/multilayer graphene coating of a polypropylene separator為題，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家重點研發計劃、大連化物所科研創新基金、中科院潔凈能源創新研究院-榆林學院聯合基金等的資助。