尺寸可控滑石纳米片离子凝胶电解质抑制固态钠金属电池枝晶生长研究

这篇研究通过调控滑石（talc）纳米片的尺寸（TN200/TN300/TN5000），构建高模量离子凝胶电解质（ionogel），显著提升其对钠（Na）枝晶的机械抑制能力。研究发现，小尺寸纳米片（TN5000）通过增大比表面积强化离子液体（IL）固定化，使电解质模量提升近3个数量级（达1.1×107 Pa），同时保持与纯IL相当的Na+电导率（0.4 mS cm?1）。该电解质使Na3V2(PO4)3|Na电池在0.5 C下循环500次容量保持率超99%，为固态钠金属电池（SMBs）的安全设计提供新策略。

　　

Abstract

研究团队开发了基于尺寸可控滑石纳米片的离子凝胶电解质，通过精确调控纳米片横向尺寸（98-350 nm）和厚度（3.5-11.8 nm），实现电解质机械模量与离子传导的协同优化。小尺寸纳米片（TN5000）因其高比表面积（BET验证）增强离子液体（Py13FSI/NaTFSI）固定化，使电解质模量达1.1×10⁷ Pa，较TN200提升3个数量级。

1 Introduction

钠金属电池（SMBs）因钠资源丰富和理论容量高（1166 mAh g^?1）备受关注，但液态电解质的枝晶生长和易燃性阻碍应用。传统固态电解质面临界面阻抗高（无机电解质）或室温电导率低（聚合物电解质）的困境。离子凝胶结合固态基质与离子液体的优势，但纳米基质尺寸对枝晶抑制机制尚不明确。

2 Results and Discussion

2.1 尺寸可控滑石纳米片

通过离心转速调控（200-5000 rpm）获得不同尺寸纳米片，AFM显示TN5000厚度仅3.5 nm。XRD/XPS证实剥离过程未破坏晶体结构，但（004）/（020）峰强比降低反映厚度减小。

2.2 力学与离子传输特性

TN5000离子凝胶展现类固体行为（储能模量>损耗模量），其高模量源于纳米片-IL间静电吸引和氢键作用。尽管总电导率下降，但Na⁺迁移数提升至0.52（TN5000 vs 纯IL 0.38），使实际Na⁺电导率与IL相当。

2.3 枝晶生长抑制机制

Na|Cu电池测试显示，TN5000电解质使循环寿命延长至600次（TN200仅131次）。FIB-SEM揭示TN5000能压缩沉积Na的垂直生长空隙，而EDS证实其促进Na均匀沉积（无>10 μm岛状聚集）。COMSOL模拟表明小尺寸纳米片分散电流集中点，而高模量机械抑制枝晶穿刺。

2.4 SMB性能

Na₃V₂(PO₄)₃|Na电池在0.5 C下实现107 mAh g^?1初始容量（理论值91%），500次循环容量衰减<1%。60°C下1 C循环100次效率达99.8%，且能拓展至高电压NVPF体系（4.5 V），展现优于纯IL的抗氧化稳定性。

3 Conclusion

该研究阐明纳米基质尺寸-模量-枝晶抑制的构效关系，为设计高安全固态电池提供普适性策略。滑石纳米片的低成本特性（原料50 g/批次）更具产业化潜力。

4 Experimental Section

滑石纳米片通过超声剥离-离心分级制备，离子凝胶按基质:IL=2:3（重量比）混合。电池测试采用4.0 mg cm^?2 NVP正极，所有操作在氩气手套箱完成。

（注：全文数据均来自原文实验验证，包括SEM/AFM/XRD等表征，及电化学测试标准化流程）