便攜式3C電子產(chǎn)品、電動汽車和智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，刺激了現(xiàn)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(yōu)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(wěn)定的固體電解質(zhì)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(huán)性能差和安全風險高等問題。設(shè)計合理的功能組分，從化學分子和物理結(jié)構(gòu)水平上調(diào)控鈉離子的沉積行為，實現(xiàn)均勻的鈉沉積，延長其循環(huán)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(fā)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(zhì)結(jié)構(gòu)，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(gòu)筑出多功能的隔膜涂層，從而獲得了高穩(wěn)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(zhì)結(jié)構(gòu)可從化學分子和物理結(jié)構(gòu)水平上調(diào)控鈉離子的沉積行為，最終可獲得庫侖效率高、循環(huán)穩(wěn)定性長、倍率性能優(yōu)異的鈉金屬負極。以此鈉金屬負極組裝成的全電池表現(xiàn)出顯著提高的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。該工作為新型二維介孔功能材料的設(shè)計與合成，以及高能量密度、長循環(huán)壽命金屬電池的構(gòu)筑提供了一定的科學依據(jù)。

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

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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