调控阴离子聚集策略新突破！深大胡江涛团队Angew刊发高性能钠离子电池低浓高熵电解液

第一作者：何铉龙，邓娇娇，冯娜

通讯作者：胡江涛*，肖必威*，张黔玲*，张明建*

单位：深圳大学，有研（广东）新材料技术研究院，香港中文大学（深圳）

钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、成本低廉等优势，在大规模储能领域展现出广阔前景。近年来，钠离子电池迅速发展，但其较低的能量密度仍是关键短板。尽管层状氧化物正极具有高比容量的优势，然而其在循环过程中发生的不可逆结构演变，导致电池性能迅速衰减。传统醚类电解液虽适配钠金属负极，但其抗氧化能力差，高压易下分解，导致界面不稳定、容量衰减。虽然高浓度或局部高浓度电解液策略可提升界面稳定性，却伴随着高成本、高粘度、产气等一系列问题。因此，开发一种能够构建稳定CEI层，且兼具经济性与高性能的新型电解液，对于推动钠离子电池的未来应用至关重要。

2025年11月23日，深圳大学胡江涛、张黔玲团队在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Engineering Anionic Aggregation in Dilute Electrolyte for High Performance Layered Oxide Cathodes for Sodium-Ion Batteries”的研究论文，团队成员何铉龙、邓娇娇、冯娜为论文共同第一作者，深圳大学胡江涛、有研（广东）新材料技术研究院肖必威、深圳大学张黔玲、香港中文大学（深圳）张明建为论文共同通讯作者。本研究创新性地设计了一种低浓度、高熵电解液。尽管盐浓度较低，但其独特的阴离子“聚集体”结构有效地促进了富无机物、高致密正极-电解液界面层（CEI）的形成，从而显著提升了层状氧化物正极的循环稳定性。该策略为发展低成本、高能量密度钠离子电池提供了新思路。

基于高熵理念与低浓度电解液的协同创新，本研究设计了一款0.5 M的低浓度高熵醚基电解液（HE-THF），其核心设计理念在于通过引入五种钠盐（NaTFSI、NaPF₆、NaDFOB、NaBF₄、NaNO₃）与单一溶剂THF组合，构建具有高构型熵的溶剂化结构。该设计遵循吉布斯自由能原理，通过提升熵值（ΔS）来补偿因多组分引起的焓增（ΔH），从而增强体系的整体稳定性，加快反应动力学。更重要的是，利用NO3-等强配位阴离子使其优先进入Na⁺第一溶剂化鞘，诱导形成阴离子富集的“团簇”结构。这种结构在电场作用下迁移至正极界面，优先分解形成富含无机物、致密且稳定的CEI层，可以有效地抑制溶剂共嵌和正极结构退化，实现了在高性能钠离子电池中“低浓度、高界面稳定性”的统一。

本研究系统评估了HE-THF电解液的多项电化学性能。结果表明，HE-THF具有更高的库伦效率（98%）、钠离子迁移数（0.552）及交换电流密度，同时展现出更低的去溶剂化能垒和更快的离子扩散能力。通过CV与浮动测试进一步证实，HE-THF能形成稳定的CEI层，有效抑制电解液氧化分解，显著提升了界面稳定性与反应动力学。同时，基于HE-THF，NaNi₁/₂Mn₁/₂Fe₁/₃O₂（NaNMF）正极在2–4 V电压范围内表现出卓越的电化学性能。在0.5 C下循环250圈后，容量保持率高达90%，显著优于传统NaTFSI-THF（71%）及商业碳酸酯电解液（72%）。该电解液还具备优异的倍率性能，在5 C高倍率下仍可提供80 mAh g⁻¹的可逆容量。此外，HE-THF在极端环境下表现突出：在-20°C低温条件下循环200圈后容量保持84%，在45°C高温下循环50圈后仍保持95%容量。即使在高负载（18 mg cm⁻²）及1 C快充条件下，其循环稳定性仍显著优于对照组。

通过XPS、TOF-SIMS与HRTEM等多种表征手段，本研究深入揭示了HE-THF在NaNMF正极表面构建稳定CEI的界面保护机制。该CEI层厚度均匀，富含NaF、B–O、N–O及含S/N无机物种，形成稳定的“多元无机复合层”。TOF-SIMS进一步证实初始CEI层是由多个阴离子优先分解的，同时FEC促进薄且均匀的CEI生成，从而有效抑制了界面副反应。结合HRTEM可以看到，基于HE-THF形成的CEI层能显著缓解NaNMF正极在循环中的晶格畸变与岩盐相转变，抑制颗粒裂纹产生与过渡金属溶出，从而增强界面结构完整性，并提升钠离子传输动力学。

HE-THF电解液中多种阴离子的协同作用，是形成稳定、致密且富无机CEI层的核心。通过MD模拟、Raman和NMR分析证实，强配位阴离子（如NO₃⁻）优先进入Na⁺第一溶剂化鞘，驱动形成阴离子-钠离子“团簇”。在电场作用下，这些“团簇”优先迁移并富集于正极界面。此外，用DFT计算了不同阴离子与溶剂分子与Na⁺的相互作用力，阴离子按序分解（NO₃⁻与DFOB⁻先行），梯度构建了一个薄致（~7 nm）、富含NaF、B-O、N-O等无机成分的复合CEI层。该CEI层有效抑制了溶剂分解与过渡金属溶出，显著提升了界面离子传输动力学与正极结构稳定性。

胡江涛，深圳大学化学与环境工程学院副教授，博士生导师，院长助理，广东省储能专家组成员，广东省科技厅“新型储能技术路线图”编制专家，深圳市海外高层次人才，中国化学学会会员。2018年获得北京大学理学博士学位， 2018-2021年在美国西北太平洋国家实验室从事博士后研究。2021年12月加入深圳大学，在化学与环境工程学院石墨烯及其复合材料研究中心开展新能源材料研发及应用研究工作。截至目前，以第一作者和通讯作者发表SCI论文50余篇，包括Nature Sustainability、Nature Communications、JACS、Joule、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、National Science Review、ACS Energy Letters、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、Carbon Energy、Energy Storage Materials、Nano Energy等，累计合作发表SCI论文100余篇，总引用6500余次，H因子41，已获美国授权发明专利2项。

肖必威，中国有研科技集团能源领域青年总师、教授，北京有色金属研究总院博士生导师，有研（广东）新材料技术研究院钠离子电池研发中心主任。现任中国材料研究学会理事。毕业于加拿大西安大略大学孙学良院士课题组，随后在美国西北太平洋国家实验室先后担任博士后和材料科学家。在Nature Commun., Adv. Mater.、Angew. Chem.、Nat. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.、Natl. Sci. Rev.等高水平期刊共发表论文100余篇，授权中国专利7件。论文共计引用8500余次，H因子48。获“中国有色金属学会会杰出青年工程师奖” 、“中国材料研究学会青年科技奖”等。担任Nature Communication, Joule等期刊审稿人、广东省科技厅“新型储能技术路线图”编制专家、美国化学会（ACS）2021年春季会议电池分会场承办人。孵化成立“瓦时动力（广东）科技有限公司”，为高性能钠离子电池提供全方位解决方案。