多功能填料，确保大规模钠金属软包电池用高性能复合准固态聚合物电解质的性能

《Journal of Energy Chemistry》：Multi-functional filler ensuring high-performance composite quasi-solid polymer electrolyte for large-scale sodium metal pouch cells

钠金属电池电解液优化；准固态聚合物电解质；硼氮复合填料；离子电导率提升；热稳定性增强；阻燃性能；循环寿命验证；SEI界面调控；纳米填料应用；安全电解质开发

　　钠金属电池因其高比容量和较低的氧化还原电压，被视为高能量密度电池的重要候选之一。然而，其实际应用面临诸多挑战，尤其是传统液态电解质的安全性问题。液态电解质容易引发枝晶生长、界面反应不稳定，从而导致电池早期失效。为了解决这些问题，研究人员开发了一种多功能复合准固态聚合物电解质（QSPE），通过在高导电聚合物体系中引入氮化硼（BN）作为工程填充剂，显著提升了电解质的综合性能。该电解质在常温下表现出优异的离子电导率和钠离子迁移数，同时具备良好的热机械和电化学稳定性，为钠金属电池的商业化提供了新的可能。

在电池技术的发展历程中，液态电解质因其高离子电导率和可加工性被广泛使用。然而，其固有的易燃性和有限的电化学稳定性窗口（ESW）限制了其在高安全性应用场景中的使用。为此，固态电解质（SSEs）被开发出来，它们提供了更好的热机械稳定性、枝晶抑制能力和固有的防泄漏设计。然而，固态电解质的高结晶度、低离子电导率以及较差的电极-电解质界面兼容性，使得其难以满足高性能电池的需求。相比之下，准固态聚合物电解质（QSPEs）在保持液态电解质高离子电导率的同时，还具备固态电解质的优点，如低重量、机械灵活性、溶液加工性和良好的热机械性能。这些特性使QSPEs成为下一代钠金属电池的理想选择。

尽管QSPEs在性能和安全性方面表现出色，其商业化仍面临一定的挑战，主要体现在离子电导率和离子分布的均匀性上。为了解决这些问题，研究人员通过引入功能性填充剂，如纳米材料，来增强QSPEs的机械性能和离子传输能力。例如，金属氧化物（如二氧化硅、二氧化钛和氧化锌）已被证明可以有效抑制枝晶生长并增强聚合物基体的机械强度。而含有钠离子的活性填充剂（如NASICON型材料）则通过形成离子传输通道，提高电解质的离子电导率。此外，层状纳米材料（如纳米粘土和石墨烯）能够调节聚合物链段运动，降低结晶度，并构建复杂的离子迁移路径。然而，由于钠金属电池在高能量密度电池体系中的重要地位，安全性依然是影响其发展的关键因素。

在这一背景下，研究人员引入了一种新型填充剂——氮化硼（BN），因其优异的热稳定性、高热导率和化学惰性而被赋予“白色石墨”的称号。BN的加入不仅提升了QSPE的离子传输性能，还显著增强了其热安全性和抗燃能力。通过热传导机制，BN能够有效散发热量，防止局部过热；作为自由基清除剂，BN可以捕获燃烧过程中产生的活性自由基，如羟基自由基（OH•）和氢自由基（H•），将其转化为非活性物质；此外，BN还能与某些添加剂（如黑磷）协同作用，形成双重相抗燃机制。在聚合物基体中，BN的引入有助于形成热稳定性良好的炭层，从而隔绝底层材料与火焰的直接接触。这些特性使得BN成为一种高效的功能性填充剂，为QSPE系统的安全性提供了保障。

在具体应用中，研究人员将BN引入聚乙二醇（PEG）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的混合体系中，以提升离子迁移能力和解决钠离子分布不均的问题。此前的研究表明，PEG塑化的PVP混合体系QSPE具有较高的钠离子迁移率，适用于高性能钠金属电池，其常温离子电导率为1.06 mS cm?1，钠离子迁移数为0.81。在此基础上，通过优化BN的填充比例，研究人员成功制备出具有更高离子电导率（2.15 mS cm?1）和更优钠离子迁移数（0.80）的QSPE。该电解质不仅具备良好的热机械性能，还表现出优异的离子传输能力，从而确保钠离子在电极表面的均匀沉积和快速的界面传输动力学。

进一步的实验验证了BN在QSPE中的作用。通过塔菲尔分析，研究人员确认了BN的引入能够显著提升钠离子的沉积和剥离效率，确保电池在长时间循环中的稳定性。理论模拟则揭示了BN对离子传输参数的优化作用，表明其能够有效调节钠离子的溶剂化结构，降低钠离子在电解质中的分布不均，从而提升电池的整体性能。此外，BN的引入还促进了稳定固态电解质界面（SEI）的形成，该界面由有机和无机成分组成，能够有效抑制枝晶生长，提高电池的循环寿命。

在实际应用中，研究人员构建了多种电池体系，以验证BN填充QSPE的性能。其中，一个使用普鲁士蓝（PB）作为正极的全电池在1C倍率下实现了超过1500次的稳定循环，且库仑效率达到99%。此外，一个双层软包电池在0.125C倍率下实现了600次的稳定循环，同时具备良好的机械抗性，能够承受严苛的机械应力。这些实验结果表明，BN填充QSPE不仅在实验室条件下表现出色，而且在实际应用中也具有良好的可行性。

从整体来看，这项研究为设计兼具高性能和安全性的QSPE提供了新的思路。通过合理选择和整合多功能填充剂，研究人员成功解决了传统液态电解质在安全性方面的不足，同时提升了QSPE的离子传输能力和热机械性能。BN的引入不仅增强了电解质的抗燃能力，还优化了钠离子的溶剂化结构，降低了枝晶生长的风险，为钠金属电池的商业化提供了坚实的基础。未来，随着材料科学和电池技术的不断进步，BN填充QSPE有望成为下一代高能量密度电池的核心组件，推动钠金属电池在储能领域的广泛应用。