大连理工大学胡方圆教授团队AFM：通过异盐添加剂策略构筑NaF/LiF杂化SEI以实现超长循环寿命钠金属电容器

第一作者：张旭生

通讯作者：胡方圆*

单位：大连理工大学

钠离子电容器较之传统的超级电容器，具有更高的能量密度。然而，其受到钠枝晶不可控生长和不稳定固体电解质界面（SEI）制约，严重损害了钠金属电容器循环稳定性和安全性。本研究提出了异盐添加剂策略，构筑出NaF/LiF杂化SEI结构，可有效改善钠枝晶及界面不稳定问题。

近日，来自大连理工大学胡方圆教授在材料领域知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Ultralong-Cycling-Life Sodium Metal Capacitors Enabled by Hetero-Salt Additive Strategy with NaF/LiF Hybrid Solid Electrolyte Interphase”文章。该研究将二氟草酸硼酸锂（LiDFOB）引入聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）基凝胶聚合物电解质中，构建出独特且稳定的NaF/LiF杂化SEI结构，不仅增强了界面离子电导率,而且抑制了枝晶生长。同时，Li⁺通过与溶剂分子竞争配位，重构溶剂化结构，实现了快速的离子转移动力学。钠金属电容器（SMCs）能量密度为159 Wh kg^-1，高功率密度为13800 W kg^-1，且在2 A g^-1条件下循环20000圈容量保持率仍为95.1%。

通过XPS深度剖析表征了SEI的组成和变化，结果表明，在GPE+1.0%LiDFOB电解质中形成的SEI结构具有更少的有机组分，同时证实了NaF/LiF杂化SEI结构的存在。该结果通过ToF-SIMS以及Cryo-TEM得到了进一步的验证。这种独特的SEI具有高离子电导率和较强枝晶抑制能力，有效提升了SMC整体性能。

理论计算显示，Li⁺与溶剂分子具有更强结合能，会与Na⁺竞争溶剂分子，从而推动阴离子进入Na⁺配位环境中。拉曼光谱的结果表表明，GPE+1.0%LiDFOB电解质体系中溶剂分离离子对（SSIPs）比例降低，接触离子对/聚集体（CIPs/AGGs）比例增加。优化后的溶剂化结构加快了离子传输动力学，同时有利于形成富含无机成分的SEI结构。

由于独特的NaF/LiF杂化SEI结构，在GPE+1.0%LiDFOB电解质中具有更高库伦效率和更低阻抗。Na//Na对称电池稳定循环超过1000小时，相比之下，使用GPE电解质的电池在700小时后极化电压明显增加，并在后续循环中不断恶化。Na//Na对称电池在GPE+1.0%LiDFOB电解质中具有优异循环稳定性。

Ultralong-Cycling-Life Sodium Metal Capacitors Enabled by Hetero-Salt Additive Strategy with NaF/LiF Hybrid Solid Electrolyte Interphase

胡方圆 教授/博导，大连理工大学材料学院副院长。主持教育部中央高校青年教师科研创新能力支持项目、国家优青项目等。主要从事聚合物基电化学能源材料及器件构筑，探究其在超级电容器、锂/钠二次电池、固态电池中的应用研究。担任中国宇航学会临近空间产业工作委员会委员、中国电工技术学会储能系统与装备专业委员会委员；担任Int. J. Extreme Manuf.、Carbon Energy等学术期刊编委/青年编委。在能源材料领域和交叉学科期刊如‌Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.‌、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等发表学术论文100余篇，授权国际/国内发明专利30余项，主编教育部高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材1部。获中国首届“新时代青年先锋奖”、辽宁杰出科技青年奖、大连市自然科学奖一等奖（排1）、中国材料研究学会高分子材料与工程青年科技奖、辽宁省“兴辽英才计划”、大连市杰青等学术荣誉。指导学生获国家自然科学基金博士生项目、中国科协首届青年人才托举工程博士生专项计划、“挑战杯”主赛道全国特等奖等。