摘要：由化石燃料消耗引起的能源短缺和环境问题日益加深，社会发展对可持续能源的需求不断增长，因此开发高能量密度以及低成本的可充电电池变得尤为重要。由于钠的原材料丰富且经济可行，钠离子电池近年来成为了重要的研究方向。然而，钠金属负极面临枝晶生长、高电化学反应性和体积膨胀
由化石燃料消耗引起的能源短缺和环境问题日益加深，社会发展对可持续能源的需求不断增长，因此开发高能量密度以及低成本的可充电电池变得尤为重要。由于钠的原材料丰富且经济可行，钠离子电池近年来成为了重要的研究方向。然而，钠金属负极面临枝晶生长、高电化学反应性和体积膨胀等问题，严重影响了其商业应用。为了解决这些问题，研究人员提出了多种策略，其中隔膜改性被认为是一个有前景的解决方案。隔膜作为电池系统重要的组成部分之一，是影响电池内部离子传输的重要因素，因此开发亲钠性隔膜，使其向均匀的Na离子通量和稳定SEI层结构方向发展，是提高钠金属电池循环性能和安全性的有效途径。传统锂离子电池中使用的隔膜材料（如聚乙烯和聚丙烯）不适用于钠离子电池，因为其机械强度较低且电解液润湿性差。为此，研究人员开发出新的隔膜改性方法，其中涂覆具有钠亲和性的材料可以有效改善离子扩散和钠沉积动力学。
近日，郑州大学和新加坡科技设计大学合作提出了一种在商用聚丙烯隔膜上修饰二维金刚石（diamane）和亲钠锌（Zn）纳米颗粒（NPs）的改性策略，亲钠性的Zn-diamane/PP隔膜可以显著加速钠离子迁移并促进均匀通量，从而有效防止枝晶生长并增强SEI层的稳定性。
本文要点
在Zn-diamane/PP隔膜上修饰的亲钠锌纳米颗粒，可以有效调节Na离子通量，引导Na沉积并形成稳定的SEI层。所设计的Zn-diamane因其卓越的离子电导率、高机械强度、高热稳定性和出色的亲钠特性而被选中。由于钠沉积过程中在diamane表面电化学原位形成的 Zn-Na 合金与 Na 离子表现出特殊的结合亲和力，所制备的改性隔膜不仅可以均匀 Na 离子通量，抑制负极表面的“热点”形成并提高 Na 离子迁移数，还可以引导均匀的 Na 成核并赋予 Na 金属可控的生长方向。
图 1.（左）传统 PP 隔膜诱导的枝晶形成和（右）Zn-diamane/PP 隔膜诱导的无枝晶形态的 Na 离子沉积行为示意图。
总结和展望
综上所述，成功设计并制造了一种 Zn-diamane/PP 隔膜来调控 Na 离子的分布和沉积。通过这种设计，Zn-diamane/PP 隔膜可以极大地促进 Na 离子转移数、电解质浸润和热稳定性。带有 Zn-diamane/PP 隔膜的对称 Na 电池可在 1 mA cm-2和 1 mAh cm-2下稳定运行超过 5000 h。即使在 25 mA cm-2和 1 mAh cm-2的超高电流密度下，电池仍能保持 1000 h 以上的长寿命。出色的长周期稳定性和高速率能力可归因于高亲钠性实现的无枝晶沉积形态、均匀的通量和快速的表面动力学。高亲钠性源于纳米金刚石薄片和在初始放电过程中原位形成的 NaZn13合金。最后，采用 Zn-diamane/PP 隔膜的全电池可提供 90 mAh g-1的高容量，500 次循环后容量保持率为 99%。我们的工作为改进的隔膜策略提供了新的见解，这些策略有望广泛应用于 SMB 和大规模清洁能源存储技术。该工作得到了国家自然科学基金、中原青年拔尖人才、郑州大学青年拔尖人才、省科技攻关、省教育厅以及省自然科学基金等项目的支持。
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DOI: 10.1002/adfm.202417809
来源：高分子科学前沿