由于商用有機(jī)電解質(zhì)具有揮發(fā)性和易燃性的特征，高壓高能量密度情況下極易引發(fā)一系列安全問(wèn)題。而固態(tài)電解質(zhì)因其固有的高安全性和良好的熱穩(wěn)定性，而且對(duì)金屬鈉負(fù)極穩(wěn)定的特征，因此在追求下一代高能量密度、高安全性儲(chǔ)能系統(tǒng)的過(guò)程中，固態(tài)鈉金屬電池引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

在此，復(fù)旦大學(xué)郭艷輝團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種不可燃混合硼氫化物Na₄B₃₆H₃₄電解質(zhì)，其電化學(xué)穩(wěn)定性窗口 (ESW) 高達(dá) 6.9 V。研究表明，擴(kuò)大的Na⁺擴(kuò)散路徑和 [B₃₆H₃₄]^4– 的快速動(dòng)力學(xué)有助于Na₄B₃₆H₃₄ 中 Na⁺ 的快速傳導(dǎo)。此外，混合陰離子Na₄B₃₆H₃₄-7Na₂B₁₂H₁₂ SE表現(xiàn)出高離子電導(dǎo)率（1.02 × 10^–3 S cm^–1）、寬ESW（5.5 V）、高Na⁺遷移數(shù)（0.97）、低電子電導(dǎo)率、低密度（1.1709 g cm^–3）)、良好的壓縮性、良好的機(jī)械強(qiáng)度、不可燃性和溶解性。?

結(jié)果顯示，Na/Na₄B₃₆H₃₄-7Na₂B₁₂H₁₂/Na對(duì)稱電池在0.1 mA cm^–2下可穩(wěn)定循環(huán)200小時(shí)以上。并且，以Na₄B₃₆H₃₄-7Na₂B₁₂H₁₂為SE，作者還制備了具有良好循環(huán)穩(wěn)定性的4.5 V高壓Na₃V₂(PO₄)₂O₂F/Na電池。

圖1. 電化學(xué)性能

總之，該工作成功合成了Na₄B₃₆H₃₄的硼氫化物SE。研究表明，較大的 [B₃₆H₃₄]^4– 聚陰離子將有助于改善 Na 離子傳導(dǎo)，并且與其單體形式的 [B₁₂H₁₂]^2– 相比，電化學(xué)穩(wěn)定性更高。?

此外，優(yōu)化后的Na₄B₃₆H₃₄-7Na₂B₁₂H₁₂ SE表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能及機(jī)械性能。采用Na₄B₃₆H₃₄-7Na₂B₁₂H₁₂ SE的對(duì)稱電池在25°C下可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)0.9 mA cm^-2的高臨界電流密度，并且在0.1 mA cm^-2下具有超過(guò)200小時(shí)的良好循環(huán)穩(wěn)定性。此外，4.5 V高壓全固態(tài)Na₃V₂(PO₄)₂O₂F/Na₄B₃₆H₃₄-7Na₂B₁₂H₁₂/Na電池表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)循環(huán)性能，在0.1 C下循環(huán)100次后放電容量保持率為85.8%。因此，Na₄B₃₆H₃₄的發(fā)現(xiàn)可以突破硼氫化物SE系統(tǒng)的界限，為高能、安全的固態(tài)電池的實(shí)際應(yīng)用發(fā)展鋪平道路。

圖2. 電池性能

A Practical Nonflammable Na₄B₃₆H₃₄-Based Hydroborate Electrolyte for High-Voltage All-Solid-State Sodium Batteries, ACS Energy Letters 2024 DOI: 10.1021/acsenergylett.4c00112