近日，吉林大學鄢俊敏教授等人，報道了一種簡單的、低成本的合成策略，能夠有效抑制Na-O2電池中Na枝晶的生長。實驗采用無通孔纖維狀的聚偏氟乙烯膜（f-PVDF）作為多功能阻隔膜。研究發現，f-PVDF與c-PVDF（孔狀PVDF、聚環氧乙烷（PEO）、常規聚四氟乙烯（PTFE）材料相比，能夠有效提高Na-O2電池的電化學性能（優異的倍率性能和87圈的循環性能）。實驗結果如下：（1）與PEO膜中C-O官能團相比，更強的C-F極性功能團對Na離子具有較強的親和力，使Na更均勻沉積；（2）f-PVDF與c-PVDF相比和p-PVDF相比，其膜材料能夠吸收更多的電解質，進而提供后更高的離子電導率；（3）與PTFE膜相比，f-PVDF膜與電解質的之間具有良好潤濕性有利于抑制鈉樹枝狀結晶。相關成果以“Suppressing Sodium Dendrites by Multifunctional Polyvinylidene Fluoride (PVDF) Interlayers with Nonthrough Pores and High Flux/Affnity of Sodium Ions toward Long Cycle Life Sodium Oxygen-Batteries”為題發表在Advanced Functional Materials上。
圖1 膜材料的SEM圖像及其離子導電圖
（a）c-PVDF的SEM圖像；
（b）p-PVDF的SEM圖像；
（c）f-PVDF的SEM圖像；
（d）PEO薄膜的SEM圖像；
（e）PTFE薄膜的SEM圖像；
（f）在0.5 M NaCF3SO3/TEGDME溶液中，界面材料的導電性。
圖2 對稱電池設計的原理圖及其膜上層的SEM圖像
（a）對稱電池設計的原理圖，顯示Na沉積行為的原理圖；
（b）在電流密度0.5 mA·cm-2下，沉積3 mAh時后，c-PVDF膜上層的SEM圖像；
（c）在電流密度0.5 mA·cm-2下，沉積3 mAh時后，p-PVDF膜上層的SEM圖像；
（d）在電流密度0.5 mA·cm-2下，沉積3 mAh時后，f-PVDF膜上層的SEM圖像；
（e）在電流密度0.5 mA·cm-2下，沉積3 mAh時后，PEO膜上層的SEM圖像；
（f）在電流密度0.5 mA·cm-2下，沉積3 mAh時后，PTFE膜上層的SEM圖像。
圖3 Na-O2不同膜材料的電池性能圖
（a）Na-O2電池于不同氣氛中，電流掃描速率為0.1 mVs-1時，含有和不含有f-PVDF膜的CV圖；
（b）Na-O2電池不同膜材料的倍率圖；
（c）含有五層阻擋膜的Na-O2電池的循環次數與開始放電電壓值圖；
（d）不同電流密度下，含有和不含有f-PVDF阻擋膜的Na-O2電池的循環壽命圖。
圖4含有和不含有PVDF膜電池充電后的SEM及XRD圖
（a）PVDF膜電池正極材料的首次1 C充電的SEM圖；
（b）PVDF膜電池正極材料的首次20 C充電的SEM圖；
（c）PVDF膜電池正極材料的首次40 C充電的SEM圖；
（d）PVDF膜電池正極材料的首次80 C充電的SEM圖；
（e）不含有PVDF膜電池正極材料的首次1 C充電的SEM圖；
（f）不含有PVDF膜電池正極材料的首次20 C充電的SEM圖；
（g）不含有PVDF膜電池正極材料的首次40 C充電的SEM圖；
（h）不含有PVDF膜電池正極材料的首次80 C充電的SEM圖；
（i）是（a-d）中電極材料的XRD圖譜；
（k）是（e-h）中電極材料的XRD圖譜。
圖5 CNTs負極材料循環過程中的SEM及其XRD圖
（a）第1次放電前，CNTs負極材料的SEM圖像；
（b）第1次充電后，CNTs負極材料的SEM圖像；
（c）第40次充電后，CNTs負極材料的SEM圖像；
（d）第80次放電前，CNTs負極材料的SEM圖像；
（e）充放電循環過程中，CNTs負極材料的XRD圖譜；
（f）循環40圈后，CNTs負極材料的1H-NMR譜圖。
纖維狀的PVDF膜含有較強的C-F官能團，本文第一次采用這種材料作為膜抑制Na枝晶形成。纖維狀的PVDF膜使Na-O2電池具有很好的電化學性能，例如：遠高于同類材料40圈的循環壽命，其可達87圈。穩定的金屬-空氣條件下，均勻結構的f-PVDF膜有利于Na+的分布；有利于電解質對電極-電解質接觸的高吸收；有利于其穩定的物理和化學性質，有利于強的親和力用電解質改善離子電導率。本文將為發展高壽命的堿金屬電池提供指導。
論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201703931/full
