东南大学孙正明/周扬/潘龙等: 双互锁介导剂构筑单离子传导型准固态电解质用于快充长寿命钠金属电池

Dual Interlocked Mediators Enable Single-Ion-Conducting Quasi-Solid-State Electrolytes for Ultrafast-Charging Long-Life Sodium Metal Batteries

Yuan Zhang, Long Pan,,* Cheong Wa Leong, Xing-Guo Qi, Xiaozhong Huang, Xinyi Cai, Mufan Cao, Min Gao, Haoyu Zhang, Dawei Sha, Yang Zhou,* Zheng Ming Sun*

Nano-Micro Letters (2026)18: 381

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02236-2

本文亮点

1. 单离子型传导：Sn²⁺作为引发剂、二氟草酸硼酸根(DFOB⁻)作为缓聚剂抑制离子聚合失控，构筑出兼具单离子传导特性(0.94)与高离子电导率(1.3 mS cm⁻¹)的聚二氧五环(PDOL)基准固态电解质。

2. 高度自适应性双侧界面：Sn²⁺被还原形成由NaSn合金与富无机成分组成的混合型固体电解质膜，从而有效均化了电场分布；同时，DFOB⁻被氧化形成一层薄、韧的正极电解质界面膜，确保了快速的界面动力学过程。

3. 优异的电化学性能：由Sn²⁺、DFOB⁻双互锁介导剂制备的PDOL基准固态电解质稳定运行6000小时无枝晶生成，3C倍率下经过2000次充放电循环后，其容量保持率仍高达90%。

研究背景

快充钠金属电池凭借钠资源储量丰富、供应链成本稳定的优势，成为锂离子体系极具竞争力的替代方案。然而实现3C及以上快充性能，依赖电解质同时具备高离子电导率与高钠离子迁移数。传统液态电解质存在安全风险大、钠离子通量分布不均易引发枝晶生长等问题，准固态电解质虽兼顾界面润湿性、可规模化制备与安全性优势，但在快充条件下仍面临两大核心瓶颈：一是体相内钠离子与聚合物链配位作用强、阴离子主导传导，导致钠离子迁移数偏低、体相传质缓慢；二是电极-电解质界面的固体电解质界面相与阴极-电解质界面相组成匹配性差，无法适配高通量钠离子传输，引发电场分布不均、枝晶生成与电解质加速降解，制约快充钠金属电池的实用化。

内容简介

本工作突破传统单一调控思路，东南大学孙正明团队独创性地提出“双互锁介导”思路：通过阳离子Sn²⁺与阴离子二氟草酸硼酸根(DFOB⁻)的协同耦合，同步调控准固态电解质的体相离子传输与正负极双侧界面化学。第一重互锁：以Sn²⁺作为引发剂实现1,3-二氧戊环(DOL)的原位阳离子聚合，DFOB⁻作为缓聚剂抑制聚合失控，构筑出兼具单离子传导特性与高适配性界面的聚二氧五环(PDOL)基准固态电解质(Sn-FB QSE)在本体中原位构筑高钠离子迁移数(0.94)与高抗穿刺性的均匀聚合物网络。同时在运行中动态演化出亲钠NaSn合金基富无机相固体电解质膜(SEI)与薄、韧正极电解质界面膜(CEI)的高度自适应性双侧界面。该策略协同突破了本体传输与界面扩散的双重瓶颈，使全电池不仅实现了15C的极限超快充，更在3C下稳定循环2000次(容量保持率90%)，并在高负载与无压软包电池中展现出优异的实用化前景。

图文导读

I 双互锁介导构筑单离子型准固态电解质

如图1所示，Sn(OTf)₂为路易斯酸引发剂、NaDFOB为缓聚剂，通过原位聚合制备Sn-FB QSE，同时设置不含Sn(OTf)₂的液态电解质(FB LE)、不含NaDFOB的准固态电解质(Sn QSE)作为对照；结构表征显示，DFOB⁻可分散Sn²⁺的正电荷降低亲电性，使Sn-FB QSE形成均匀聚合物网络，PDOL转化率达85%、多分散指数为1.6，呈无定形结构，穿刺强度达8.5 kPa，热稳定性显著优于液态电解质。

图1. 材料结构与力学性能表征。

II 第一重互锁策略：体相实现单离子型传导

Sn-FB QSE的钠离子迁移数高达0.94，实现单离子传导，离子电导率达1.3 mS cm⁻¹，临界电流密度为3.0 mA cm⁻²，交换电流密度达10 μA cm⁻²，电化学稳定窗口宽至4.7 V；分子动力学模拟证实，该体系中Na⁺-O(PDOL)配位作用减弱，配位数降至2.81，钠离子扩散系数达16.8 Ų ns⁻¹，体相钠离子传输动力学大幅提升。

图2. 电化学性质与理论计算。

III 电化学性能评估

Sn-FB QSE可实现钠金属无枝晶沉积/剥离稳定运行6000 h，极化电压低至~0.1 V；匹配Na₃V₂(PO₄)₃正极的全电池在0.5~15C倍率下展现优异倍率性能，15C时仍释放80.1 mAh g⁻¹，3C下循环2000次容量保持率90%，同时适配高负载正极与无压力软包电池，软包电池反复折叠后仍可正常为手机供电，体现其快充、长循环、高负载与柔性适配优势。

图3. 电化学性能图。

IV 第二重互锁策略：电极-电解质界面稳定性

Sn²⁺因最低未占分子轨道(LUMO)能级最低优先在负极还原，生成NaSn合金/富无机混合SEI层，这一独特的混合SEI可有效均匀化电场分布、促进钠离子流均匀传输，降低钠离子成核过电位至50 mV，并最终有效缓解钠金属负极在循环过程的金属疲劳。

DFOB⁻因最高已占分子轨道(HOMO)能级较高优先在正极氧化，形成厚度仅14 nm、杨氏模量达8.9 GPa的坚固、薄型CEI层，抑制电解质分解、维持正极结构稳定性，实现正负极双侧界面的稳定高效传质。

图4. 钠金属负极-电解质界面稳定性评估。

图5. 钠金属负极-电解质界面稳定性评估。

V 总结

本研究提出了一种基于双互锁介导剂(Sn²⁺和DFOB⁻)的全尺度协同调控策略，在准固态钠金属电池中实现了本体高通量钠离子传输与正负极双边界面化学优化的协同作用。

在本体侧，Sn²⁺作为引发剂诱导PDOL体系的原位阳离子聚合，同时DFOB⁻作为缓聚剂有效抑制聚合失控；这种“一正一反”的互锁效应不仅构筑出高度均匀且机械坚固的聚合物网络，还通过解离Na⁺-TFSI⁻和削弱Na⁺-O (PDOL)实现了高达0.94的单离子传导特性。

在界面侧，双互锁介导剂在电池运行中诱导了双边界面的自适应动态演化：在负极侧，Sn²⁺与电解质组分协同还原，构筑出富含无机物且亲钠的NaSn合金混合SEI层，从而均匀电场并实现超6000小时无枝晶的低极化钠沉积/剥离；在正极侧，DFOB⁻发生氧化，在正极表面生成薄而坚固的CEI层，有效减缓了电解质降解并降低了界面钠离子的扩散阻力。

组装的全电池在15C的极限超快充倍率下依然表现出80.1 mAh g⁻¹的高容量，并在3C倍率下展现出循环2000次后容量保持率高达90%的长循环稳定性；此外，该体系在高负载正极(NVP和NFM)以及无压软包电池中均实现了成功构筑与稳定运行。

这一双互锁调控方法比起传统的独立界面或本体改性策略，更加高效、系统，不仅协同攻克了准固态体系在快充条件下的本体与界面传输瓶颈，全面助力高能量密度、长寿命超快充钠金属电池的实用化，也为其他固态碱金属电池的全尺度协同设计提供了全新的范式。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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