近日，材料科学与工程学院陈仕谋教授团队在《Angewandte Chemie International Edition》上发表了题为“Spatial Solvation Regulation by a Swollen Polymer Interphase Enables Ultrastable Sodium Metal Batteries”的研究论文。该工作提出了一种溶胀型聚合物界面调控空间溶剂化策略（如下图所示），在负极侧原位构建溶胀型聚合物界面层，通过重新分布局域溶剂分子，实现界面梯度溶剂化转变，从而兼顾高离子电导率、低Na+脱溶剂化剂能垒与优异界面稳定性。这项工作为高性能、高安全钠金属电池的界面化学设计提供了新思路。
电解液设计存在内在权衡：强溶剂化虽有利于提升体相离子电导率，却会加剧钠负极界面副反应。而高性能体系需兼顾高电导率、低脱溶剂化能垒与高界面稳定性。人工聚合物界面层因柔性与结构可设计性，在缓冲体积变化、优化界面离子传输方面具有优势，但其与电解液的耦合机制及对溶剂化结构的影响，至今仍缺乏深入探究。为此，本研究创新性地利用氟代碳酸乙烯酯（FEC）、三氟乙酸乙酯（ETFA）与(3 - 氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES）的竞争配位反应，在钠负极上构筑了富含F–(Si–O–)ₙ可溶胀的人工聚合物界面层。该界面层对氟代溶剂具有强亲和性，可选择性富集FEC，同时有效降低高极性磷酸三乙酯（TEP）在钠负极表面的含量，实现从体相电解液强溶剂化到界面弱溶剂化的空间梯度转变，显著降低Na⁺脱溶剂能垒与电荷转移活化能。在此基础上，聚合物界面可进一步诱导形成梯度型、结构坚固的固体电解质界面膜（SEI），其外层为柔性(Si–O–)ₙ聚合物骨架，内层富含NaF与Si–F等无机组分。这种独特的软–硬协同结构能有效抑制钠枝晶生长与电解液副反应，赋予Na||Na对称电池实现超2100 h的稳定循环，Na||Na3V2(PO4)3全电池在1 C倍率下循环2300圈容量保持率96.3%，20 C高倍率下循环3000圈保持率95.4%。同时，该电解液具备优异的阻燃性能，从本质上提升了电池的安全性。值得注意的是，该设计理念具有普适性，可拓展应用于其他碱金属电池体系，并展现出卓越的综合性能。
该工作第一作者为北京化工大学材料学院2023级硕士生徐豪杰，北京化工大学陈仕谋教授、沈珍珍见习副教授为共同通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本工作得到了国家自然科学基金、北京市自然基金等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.7681008
