【创新在大工】材料科学与工程学院在高性能钠离子电容器研究取得新进展

近期，我校材料学院科研团队在高性能钠离子电容器研究取得新进展，揭示了两性离子促进电解质离子高倍率传输的新机制。能源领域旗舰期刊Advanced Energy Materials以“Designing zwitterionic gel polymer electrolytes with dual-ion solvation regulation enabling stable sodium ion capacitor”为题，刊载我校材料学院的最新研究成果——一类兼具高比能和高安全性的新型高性能准固态钠离子电容器。该研究工作被遴选为当期内封面文章（Inside Cover）。第一作者为材料学院博士研究生刘思洋，通讯作者为材料学院胡方圆教授。

图1.该研究被选为《先进能源材料》期刊2023年第18期内封面文章

航空航天、电动汽车和储能电网等领域迅猛发展，推动着储能器件向高比能、高安全和集成化的方向发展。近年来，将超级电容器和钠离子电池进行“内部交叉”，采用电容型阴极和电池型阳极构筑的钠离子电容器，有望为高比能、高功率密度、长寿命需求提供有效的解决方案，然而，现阶段钠离子电容器通常采用液态电解液，易引起短路、过充热失控或电解液泄漏等情况，造成热失控甚至爆炸等安全事故。

采用聚合物准固态电解质替代传统的液态电解液，在解决器件安全性问题的同时，可进一步提升器件的能量密度和循环寿命，以满足未来先进储能器件的应用需求，然而，由于溶剂分子与电解质离子间的强相互作用，导致电解质离子在多重界面附近所需克服的脱溶剂化能垒较高，且在固体电解质界面（SEI）处的传输动力学缓慢，这严重限制了器件能量及功率性能的发挥，因此，如何提升聚合物准固态钠离子电容器内部多重界面处的离子传输与脱溶剂化动力学，是学术界和产业界共同关注的热点和难点问题。

图2.准固态钠离子电容器的制备及两性离子-电解质离子的吸附-配对效应

本项工作采用原位热引发分子链共聚合方法，创制了具有本征阻燃特性的两性离子基聚合物准固态电解质。针对电极/电解质界面处离子传输和脱溶剂化动力学缓慢的问题，提出了两性离子“配位协同脱溶”新策略。两性离子是一类将阴、阳离子对通过共价键连接于分子链段，并具有电中性的极性分子。两性离子基团（如−SO₃[−]/咪唑环[+]）可分别与电解质离子（Na⁺/ClO₄⁻）发生吸附−配对现象，通过调节离子−偶极和偶极−偶极作用力，实现同时调控电解质阴离子和阳离子在多元溶剂中溶剂化行为（图2），由于两性离子对电解质离子具有强亲和力，可削弱共溶剂与离子的络合作用，从而降低界面处的脱溶剂化能垒，减少溶剂共插层隐患，大幅提升界面处离子传输和脱溶剂化动力学过程。同时，构筑了N、S基无机成分主导的多晶SEI膜，提升了界面化学稳定性，促进了界面处电解质离子传输动力学过程（图3）。构筑的新型高性能准固态钠离子电容器相较于传统准固态电容器而言，其放电容量提升269%，经过9000次循环充放电过程后，容量保持率高达95.3%。

图3.电解质离子在固/固界面附近和界面上的传输机制示意图

该项研究同时改善了电解质阴离子、阳离子在固/固界面附近的快速脱溶剂化以及传输动力学过程，构筑了基于“双向双重”加速电解质离子脱溶与传输的高能量、高安全准固态钠离子电容器，亦为混合型离子电容器的电解质设计提供了新思路。该项工作得到了国家自然科学基金、辽宁省“兴辽英才计划”、大连市科技创新项目、大连理工大学“星海优青”等资助支持。