圖片來源：中科院大連化物所

5月7日，中科院大連化物所宣布，近日，該所儲能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員、鄭瓊研究員團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所藺洪振研究員團(tuán)隊(duì)合作，在鈉離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展。

據(jù)悉，鈉離子電池因資源豐富、安全性高在新型儲能領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。磷酸鹽基鈉離子電池是適用于儲能應(yīng)用的高穩(wěn)定性、高安全性鈉離子電池優(yōu)選技術(shù)。其中，三氟磷酸釩鈉（Na₃V₂(PO₄)₂F₃, NVPF₃）具有高的理論比能量（約507Wh/kg，與磷酸鐵鋰相當(dāng)），是實(shí)現(xiàn)高比能鈉離子電池的優(yōu)選正極材料之一。但NVPF₃基鈉離子電池循環(huán)穩(wěn)定性較差，限制了其實(shí)用化。

當(dāng)前，研究者們對引起NVPF₃基鈉離子電池容量衰減的作用機(jī)制存在爭議，主要包括晶胞中釩溶出和氟損失，以及電解液在高電壓下的氧化分解等。針對此，本工作中，團(tuán)隊(duì)首先證實(shí)了NVPF₃基鈉離子電池在4.2V（vs. Na/Na⁺）高電位下充放電持續(xù)時(shí)間較長，引起電解液在高電壓下發(fā)生持續(xù)氧化分解，是導(dǎo)致容量衰減的根本原因。為了提高NVPF₃基鈉離子電池的高壓穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一類含雙-C≡N極性基團(tuán)添加劑的二腈類電解液體系，通過和頻共振光譜、原位電化學(xué)表面增強(qiáng)拉曼等表征方法和理論計(jì)算相結(jié)合，一方面團(tuán)隊(duì)揭示了添加劑中-C≡N基團(tuán)與溶劑（-CH₂/-CH₃）之間形成分子間氫鍵，使得另一個(gè)-C≡N基團(tuán)更易進(jìn)入溶劑鞘內(nèi)層，降低溶劑配位數(shù)，從而減少了溶劑與正極界面接觸進(jìn)而發(fā)生氧化分解的作用機(jī)制，同時(shí)分子間氫鍵會降低電解液LUMO（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）能級，從而提高電解液的抗氧化性；另一方面，團(tuán)隊(duì)揭示了基于-C≡N基團(tuán)修飾的溶劑化結(jié)構(gòu)中，位于溶劑化鞘外層的-C≡N基團(tuán)在NVPF₃界面上與溶劑發(fā)生競爭性優(yōu)先吸附并自犧牲氧化分解，構(gòu)建富含CN-/NCO^-/Na₃N組分的高穩(wěn)定性正極-電解液界面的作用機(jī)制。含有單個(gè)-C≡N基團(tuán)的單腈添加劑在參與溶劑化結(jié)構(gòu)之后，難以保持在界面上的競爭吸附優(yōu)勢。基于雙-C≡N基團(tuán)添加劑對鈉離子溶劑化結(jié)構(gòu)和正極界面的協(xié)同調(diào)控與優(yōu)化，NVPF₃基鈉離子電池在2至4.3 V（vs. Na/Na+）電壓范圍內(nèi)循環(huán)穩(wěn)定性獲得顯著提升，1C下循環(huán)1000圈后容量保持率超過95%，較常規(guī)電解液提升了60%以上。上述工作為高比能量高穩(wěn)定鈉離子電池開發(fā)及推進(jìn)其實(shí)用化提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

相關(guān)工作以“Electrolyte Design with Dual -C≡N Groups Containing Additives to Enable High-Voltage Na₃V₂(PO₄)₂F₃-based Sodium-ion Batteries”為題，于近日發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上。該工作共同第一作者是DNL17博士研究生江明琴和助理研究員李天宇。上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院-榆林學(xué)院聯(lián)合基金、中科院大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持。