雙(三氟甲基磺酰)亞胺鈉基聚合物電解質在固態(tài)鈉電池中的性能

馬強，胡勇勝，李泓，陳立泉，黃學杰，周志彬2,＊中國科學院物理研究所，北京 0090

2華中科技大學化學與化工學院，武漢 430074

1 引言

近年來，隨著化石燃料的大規(guī)模使用，不僅使其儲量日益緊缺，而且造成了嚴重的環(huán)境污染等問題。因此發(fā)展清潔能源(太陽能、風能和潮汐能等)已成為人們關注的熱點，但因太陽能、風能和潮汐能等清潔能源的發(fā)展受到時間和空間上的限制，急需高效率和穩(wěn)定的儲能系統(tǒng)來提高其使用效率。鋰離子電池因其能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低和無記憶效應等方面的顯著優(yōu)勢倍受青睞1–4，但由于便攜式器件和電動汽車等市場對其大量的需求，已使鋰的價格上漲。鈉具備與鋰類似的物理和化學性質，且鈉資源豐富和成本低廉5–7。因此發(fā)展鈉離子電池來緩解消費市場對大規(guī)模儲能的需求將是一個較佳的選擇。近年來，盡管提出了各種鈉離子電池的正負極材料8–11，但是與商業(yè)的鋰離子電池類似，由非水有機液態(tài)電解質組裝成的鈉離子電池也同樣面臨安全隱患，主要是因為該液態(tài)電解質存在易泄露、易燃燒等缺點12,13。這可能將阻礙鈉離子電池在大規(guī)模儲能市場上的廣泛應用。

解決上述有機液態(tài)電解質安全問題的一種可靠、有效的方案是發(fā)展固態(tài)聚合物電解質(Solid Polymer Electrolyte，SPE)。與有機液態(tài)電解質相比，SPE具有體積利用率高、成膜性好、質量輕以及制備工藝簡單等優(yōu)點，同時能克服有機液態(tài)電解質易泄漏、反應活性高和安全性差等缺點14–16。事實上，SPE已經在鋰電池中得到了廣泛的研究，然而SPE在鈉電池中的研究仍處于早期階段。因此，開發(fā)出一種合適的SPE來加速固態(tài)鈉電池的發(fā)展，已成為當前鈉電池電解質部分的研究熱點。

最近，Moreno等17報道了一種以雙(三氟甲基磺酰)亞胺鈉(NaTFSI)/聚氧乙烯(PEO)構筑的SPEs，并針對其相轉變、電導率、鋰離子遷移數以及電化學穩(wěn)定性等基礎理化及電化學性質進行了相應的表征。結果表明，該NaTFSI/PEO([EO]/[Na+] = 20) SPE在80 °C下的電導率能達到10?3S·cm?1。隨后，Boschin等18對比研究了雙(氟磺酰)亞胺鈉(NaFSI)/PEO和NaTFSI/PEO兩類SPEs的基礎理化性質，主要包括相轉變、電導率和載流子配位等。然后，我們進一步研究了NaFSI/PEO([EO]/[Na+] = 20) SPE對金屬鈉電極的界面穩(wěn)定性和在鈉電池中的實際應用19。結果表明，該NaFSI基SPE不僅展現出對金屬鈉電極優(yōu)異的界面穩(wěn)定性，而且呈現出良好的電池循環(huán)性能。然而，很少有工作報道NaTFSI/PEO SPEs與金屬鈉電極的界面相容性和在鈉電池中的性能研究。

基于以上考慮，本文通過簡單的溶液澆鑄法制備出NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15) SPE，并針對其相轉變、結晶性、熱穩(wěn)定性、電導率以及電化學穩(wěn)定性等基礎理化及電化學性質進行了系統(tǒng)表征。此外，本文著重研究了該NaTFSI基SPE與金屬鈉電極的化學及電化學穩(wěn)定性和在Na|SPE|NaCu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3O2電池中的性能。

2 實驗

2.1 試劑與儀器

雙(三氟甲基磺酰)亞胺鈉(NaTFSI) (純度 ＞99%，Solvay)；聚氧乙烯(PEO，Mw= 6 × 105g·mol?1，Acros)；乙腈(ACN，99.9%，Acros)；碳酸鈉(Na2CO3，99.5%，Alpha)；氧化銅(CuO，99%，Alpha)；氧化鎳(NiO，99%，Alpha)；三氧化二鐵(Fe2O3，99.5%，Alpha)；二氧化錳(MnO2，98%，Alpha)；super P導電劑(瑞士，特密高)；PVDF粘結劑(Alpha)。

手套箱(德國布勞恩公司)；差示掃描量熱儀(DSC，Netzsch DSC 200 F3，德國Netzsch公司)；X射線衍射儀(XRD，Bruker)熱重分析儀(TGA，Netzsch TG 209，德國Netzsch公司)；Autolab電化學工作站(PGSTAT128N，荷蘭Autolab公司)；扣式電池充放電儀(CT2001A，武漢藍電電子有限公司)。凡涉及到對水和氧氣敏感的試劑和材料的操作，均在填充高純氬氣的手套箱中(H2O，O2的體積分數 ＜ 1 × 10?6)或高純氬氣保護下完成。

2.2 固態(tài)聚合物電解質膜的制備

在填充高純氬氣的手套箱(H2O，O2的體積分數 ＜ 1 × 10?6)中，稱取[EO]/[Na+]摩爾比為15的PEO和NaTFSI并溶解于適量的乙腈中，在60 °C下攪拌12 h使其形成均勻粘稠的溶液。將配制好的粘稠溶液緩慢傾倒在聚四氟乙烯板上，先在室溫下靜置12 h使溶劑緩慢揮發(fā)，再在60 °C下真空干燥48 h，得到厚度約為150 μm的均勻半透明薄膜。

2.3 電極極片的制備

NaCu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3O2(NCNFM)材料是通過簡單的固相法合成20,21。先稱取相應量的原材料(Na2CO3、CuO、NiO、Fe2O3和MnO2)放置于球磨罐中，在400 r·min?1轉速下球磨5 h，然后將上述球磨均勻的材料壓成片并在850 °C下熱處理16 h。

首先將正極活性材料(NCNFM質量分數為65%)、super P (質量分數為10%)、NaTFSI/PEO([EO]/[Na+] = 15) SPE (質量分數為20%)和PVDF(質量分數為10%)溶于乙腈中制備成漿料。然后將上述正極漿料均勻涂覆于碳包覆的集流體鋁箔上，在60 °C下真空干燥12 h制得電極極片，轉移至手套箱中備用。該正極極片中活性物質的面密度為1.8 mg·cm?2左右。

2.4 固態(tài)聚合物電解質的基礎理化及電化學性質評價

固態(tài)聚合物電解質(SPE)的相轉變采用DSC來進行測量。在填充高純氬氣的手套箱中，稱取5–10 mg的SPE密封于鋁坩堝中。在高純氮氣保護下，測量溫度范圍為?150–150 °C，升溫速率為10 °C·min?1，相變溫度取相應DSC曲線上對應相變的中值。SPE的結晶性通過XRD來測量。以Cu Kα為衍射源(λ = 0.154 nm)，掃描角度2θ范圍為5°–90°。SPE的熱穩(wěn)定性測試由TGA完成。在填充高純氬氣的手套箱中，稱取5–10 mg的SPE密封于鋁坩堝中。在高純氬氣保護下，測試溫度范圍為30–600 °C，升溫速率為10 °C·min?1，分解溫度取樣品質量損失為5%時對應的溫度。

SPE的電導率(σ)通過交流阻抗(EIS)的方法進行測定。在填充高純氬氣的手套箱中，將SPE膜夾在一對不銹鋼(SS)電極之間。在測試前，將其放置于80 °C恒溫2 h，以確保制備的SPE與SS電極充分接觸。測試溫度范圍為25–90 °C，每個測試溫度點間隔恒溫1 h。采用線性掃描伏安法(LSV)來評估SPE的耐氧化能力，以SS為工作電極，Na為對電極，測試電位范圍為2.5–6.0 V (vs Na+/Na)，掃描速度為1 mV·s?1，測試溫度恒溫在80 °C。

圖1 NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)固態(tài)聚合物電解質膜的照片

圖2 (a)純PEO、NaTFSI和NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)固態(tài)聚合物電解質的差式掃描量熱曲線；(b)純PEO和NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)固態(tài)聚合物電解質的X射線衍射曲線；(c)純PEO、NaTFSI和NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)固態(tài)聚合物電解質的熱重曲線

2.5 固態(tài)聚合物電解質的電池性能評價

扣式電池(2032)的組裝在填充高純氬氣的手套箱中完成。以金屬鈉(Na)為正負極，SPE既為電解質又為隔膜，組裝成Na|SPE|Na電池；以NaCu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3O2(NCNFM)材料為正極，Na為負極，SPE既為電解質又為隔膜，組裝成Na|SPE|NCNFM電池。Na|SPE|Na電池測試在電池充放電儀上進行，采取恒電流充/放電的模式，電流密度為0.1 mA·cm?2，每周測試時間為2 h，測試溫度恒溫在80 °C。Na|SPE|NCNFM電池同樣采用恒流充/放電的模式，充放電電壓范圍為2.2–3.8 V(vs Na+/Na)，測試溫度恒溫在80 °C。

表1 純PEO、NaTFSI和NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)固態(tài)聚合物電解質的相轉變和熱分解溫度Table 1 Characterization data for phase transition and thermal decomposition temperature of the NaTFSI/PEO([EO]/[Na+] = 15) solid polymer electrolyte, as well as the neat PEO and NaTFSI.

圖3 (a) NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)固態(tài)聚合物電解質的電導率隨溫度的變化關系曲線；(b) NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)固態(tài)聚合物電解質的線性掃描伏安曲線

3 結果與討論

3.1 固態(tài)聚合物電解質的性質

3.1.1 NaTFSI/PEO SPE膜的形貌

圖1是NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)固態(tài)聚合物電解質(SPE)膜的照片。由圖1可知，通過簡單的溶液澆鑄法制備出的NaTFSI/PEO SPE膜是均勻半透明狀的，且膜的厚度約為150 μm (千分尺測量所得)。

3.1.2 NaTFSI/PEO SPE的基礎理化及電化學性質

圖2a對比了純PEO、NaTFSI和NaTFSI/PEO([EO]/[Na+] = 15)SPE的DSC曲線。如圖2a所示，NaTFSI/PEO SPE的熔點(Tm1= 41.6 °C和Tm2=62.5 °C)和熔化焓值(?Hm= 57.8 J·g?1，表1)分別明顯低于純PEO的熔點(Tm= 72.1 °C)和熔化焓值(?Hm= 147.8 J·g?1，表1)。表明NaTFSI和PEO共混可以降低結晶區(qū)PEO的含量，有利于促進PEO的鏈段運動，從而提高電導率21。圖2b比較了純PEO和NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15) SPE的XRD曲線。如圖2b所示，純PEO在2θ為19.2°和23.3°處出現兩組明顯的特征衍射峰，表明純PEO具有較高的結晶度16,22。此外，NaTFSI/PEO SPE的兩組特征衍射峰強度低于純PEO的兩組特征衍射峰強度，這與DSC測試結果相吻合(表1)。圖2c對比展示了純PEO、NaTFSI和NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)SPE的TGA曲線。由圖2(c)可知，純PEO、NaTFSI和NaTFSI/PEO SPE的熱分解溫度(Td)都高達350 °C，滿足對鈉電池熱穩(wěn)定性的應用要求。上述結果表明，該NaTFSI基SPE在鈉電池中具有潛在的應用價值。

圖3a為NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15) SPE的電導率隨溫度的變化關系曲線圖。如圖3a所示，NaTFSI/PEO SPE的電導率隨溫度升高而增加，且該NaTFSI基SPE在80 °C時的電導率能夠達到9.15 ×10?4S·cm?1。值得一提的是，該NaTFSI基SPE的電導率在60 °C左右呈現出一個拐點，這主要歸因于結晶區(qū)PEO的熔化所致22，該結論與DSC相變曲線的結果基本一致(圖2a)。圖3b為NaTFSI/PEO([EO]/[Na+] = 15) SPE的線性掃描伏安曲線圖。由圖3b可知，NaTFSI/PEO SPE的氧化分解電位為4.86 V (vs Na+/Na)，表明該NaTFSI基SPE能夠滿足4 V級鈉電池的應用要求。

3.2 固態(tài)聚合物電解質的性能

3.2.1 NaTFSI/PEO SPE與金屬鈉電極的界面性能

圖4為NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15) SPE組裝成鈉鈉電池的界面性能曲線圖。從圖4a可以清晰地看出，NaTFSI/PEO SPE與金屬鈉電極的總阻抗(半圓直徑)在存儲條件下基本保持不變。此外，NaTFSI/PEO SPE組裝成鈉鈉電池在0.1 mA·cm?2電流密度下能夠穩(wěn)定循環(huán)超過150 h (圖4b)。上述結果表明，該NaTFSI基SPE展現出對金屬鈉電極優(yōu)異的化學及電化學穩(wěn)定性17。這與其它PEO基SPE對金屬鈉電極的界面性能結果相符合19,21。

圖4 NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)固態(tài)聚合物電解質在80 °C下的鈉鈉電池界面性能

圖5 NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)固態(tài)聚合物電解質在80 °C下的Na|SPE|NaCu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3O2電池性能

圖6 NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)固態(tài)聚合物電解質在80 °C下的Na|SPE|NaCu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3O2電池倍率性能

3.2.2 NaTFSI/PEO SPE在鈉電池中的性能

圖5給出了NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)SPE組裝成Na|SPE|NaCu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3O2(NCNFM)電池的性能曲線。如圖5a所示，NaTFSI/PEO SPE組裝成Na|SPE|NCNFM電池不僅能夠呈現出相對高的首周放電比容量(121.9 mA·h·g?1，0.1C)和庫侖效率(91.4%)，而且在1C倍率下能夠循環(huán)超過100周且具有73.2%的容量保持率。值得說明的是，NaTFSI/PEO SPE組裝成Na|SPE|NCNFM電池的總阻抗(半圓直徑)從第10周到100周表現出相對穩(wěn)定的趨勢(圖5b)。上述結果表明，該NaTFSI基SPE能在Na|SPE|NCNFM電池中形成相對穩(wěn)定的電極/電解質界面，從而有利于上述電池的長期循環(huán)21。

圖6展示出NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15)SPE組裝成Na|SPE|NCNFM電池的倍率性能曲線。由圖6可知，在0.1C、0.2C、0.5C、1C和2C倍率下，NaTFSI/PEO SPE組裝成Na|SPE|NCNFM電池能夠分別呈現出121.4、115.8、105.7、95.8和67.7 mA·h·g?1的放電比容量。值得注意的是，當倍率返回至0.1C時，仍然能表現出107.7 mA·h·g?1的放電比容量。表明在Na|SPE|NCNFM電池中，該NaTFSI基SPE具有優(yōu)異的倍率性能。

4 結論

采用DSC、XRD、TGA、LSV和EIS等測試方法對雙(三氟甲基磺酰)亞胺鈉(NaTFSI)/聚氧乙烯(PEO)構筑的固態(tài)聚合物電解質(SPE)的基礎理化及電化學性質進行了系統(tǒng)研究。結果表明，NaTFSI/PEO ([EO]/[Na+] = 15) SPE在80 °C下的電導率為 9.15 × 10?4S·cm?1，且它的氧化分解電位和熱分解溫度分別為4.86 V vs Na+/Na和375.1 °C。值得指出的是，該NaTFSI基SPE組裝成鈉鈉電池能夠穩(wěn)定循環(huán)超過150 h。此外，在Na|SPE|NaCu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3O2電池中，該NaTFSI基SPE不僅能夠循環(huán)超過100周且具有73.2%的容量保持率(1C)，而且展現出優(yōu)異的倍率性能。綜上所述，NaTFSI/PEO SPE在鈉電池中具有廣闊的應用前景。

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