基于聚合物电解质和普鲁士蓝正极的低工作温度、高倍率和长寿命固态钠离子电池（HQ-NaFe）

聚合物固态电解质（SPEs）与常规的陶瓷基固态电解质相比，具有较高的柔韧性和良好的电极界面接触。在大规模工业化应用中，具有高室温、低温离子电导率的SPEs固态电解质，有助于扩展电池的工作温度范围并提高循环寿命；具有良好热稳定性的SPEs可以减少因热失控导致的安全问题；宽的电化学稳定窗口可以有助于克服SPEs与正极之间发生的副反应；另外合成工艺简单的SPEs，可以保证大规模制备并降低制造成本。因此，开发满足以上特点的SPEs是明智的选择。尽管Na+的正极材料已经得到了广泛的研究，但仍迫切需要开发具有长寿命、高可逆容量和高库仑效率的正极材料。普鲁士蓝是钠离子电池的传统正极材料，它具有开放的框架和可嵌入/脱出Na+的活性位点；并且具有理论容量高与合成工艺简单，适合大规模工业生产的优势。但是，它的实际容量低、容量衰减快和库仑效率低的弱势限制了其应用。因此，本文开发了一种新型基于SPEs（称为PFSA-Na膜）与普鲁士蓝正极材料（HQ-NaFe）的固态钠离子电池，并获得了优异的电化学性能。

近日，某大学课题组为了解决传统液体电解质引起的严重安全问题，探索了一种用于固态钠离子电池（SSIBs）的固态聚合物电解质（PFSA-Na膜）。这种PFSA-Na膜采用经济环保的方法合成，在宽温度范围内具有高的离子电导率、热稳定性和机械柔韧性。基于PFSA-Na膜和普鲁士蓝正极的SSIBs，在8 C时具有87.5 mAh g-1的倍率性能，在1 C时具有高达1100圈的长循环寿命，每圈的容量衰减仅为≈0.014％。此外，PFSA-Na膜在-35°C的较低温度下，使SSIB的循环性能比液态钠离子电池更稳定。

图 1 PFSA-Na膜的电化学性能表征

（a）离子交换过程的示意图；

（b）Arrhenius图和相应的交流阻抗谱；

（c）离子电导率与已发表文章的性能比较图；

（d）电化学稳定性以及与已发表文章的性能对比图；

（e）在0.5 mA cm-2的电流密度下，对称Na离子电池的恒电流循环测试。

图 2 HQ-NaF电极的结构表征

（a）HQ-NaFe的FESEM图像；

（b）HQ-NaFe的XRD图谱；

（c，d）HQ-NaFe的XPS谱图：（c）Fe 2p；（d）N 1s。

通过一种简便的离子交换与溶液刮涂法制备了聚合物固态电解质（PFSA-Na膜），具有很高工业生产价值。这种PFSA-Na膜在很宽温度范围内具有高离子电导率、热稳定性和低温性能。基于PFSA-Na电解质和HQ-NaFe正极的SSIBs表现出优异的循环稳定性，高的倍率性以及室温下约100％的高库仑效率。最重要的是，基于PFSA-Na膜的SSIBs，在-35°C下仍具有稳定的循环表现。本文中所提供的PFSA-Na膜是一种极具前景的钠离子电池固态电解质，且本文所组装的SSIBs为大规模储能系统提供了新选择。

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