突破钠金属电池极限：宽温、不可燃、高压、高倍率电解质的前沿研究

第一作者：刘俊杰

通讯作者：冯金奎*

单位：山东大学

钠金属电池（SMB）具有理论比容量高、成本低的特点，是下一代高能量密度储能设备的理想材料。尽管钠金属电池潜力巨大，但其商业化之路也面临着一些严峻的挑战。为了满足现代能源存储要求，钠金属电池仍须在应用多样性、安全性、能量密度和快速充电能力方面取得重大进展。电解质作为钠金属电池的关键组成，在实现这些性能指标方面起着至关重要的作用。如何利用电解质中盐、溶剂、添加剂的协同效应来调节钠金属电池在宽温度范围、阻燃性、高电压和高倍率为特征的极端条件下的热力学、动力学和电化学行为是值得深入研究的课题。

近日，来自山东大学的冯金奎教授团队围绕用于宽温、不可燃、高压、高倍率四种极端条件下的钠金属电池电解质进行了详细地总结，在文章中还概括了钠基电池的优势、钠金属负极面临的实际挑战、电解质的基本介绍以及极端条件下钠金属电池电解质的设计原则，同时还对未来钠金属电池电解质的发展进行了展望。其研究成果以“Advanced Electrolytes for Sodium Metal Batteries Under Extreme Conditions”为题发表在国际知名期刊Energy Storage Materials上，文章的第一作者为刘俊杰。

钠作为与锂同属第一主族的邻近元素，其化学性质与锂极为相似。Na⁺的电荷与Li⁺的电荷相当，但钠基电池单位质量或单位体积的储能潜力更高，且钠在地壳中的含量丰富，是锂（2.75%）的400多倍，还可以从海水中提取，奠定了其价格便宜的巨大优势。因此，钠被认为是新型储能领域的有力候选材料。然而钠金属负极面临着诸多的挑战，包括钠金属在充放电过程中巨大的体积膨胀、形成的不稳定的SEI、钠枝晶的快速生长引起的电池短路等。在众多的改进策略中，电解质优化作为一种灵活、高效、经济的改善途径，近年来不断受到重视并得到广泛研究，通过设计或改性电解液成分，形成稳定的电极-电解液界面，可以有效的优化电池的热力学、动力学行为。

在低温条件下，钠盐的解离能力变差，伴随着电解质粘度的大幅上升，Na⁺在电解质中迁移缓慢，导致较低的离子电导率。此外，Na⁺的缓慢迁移和较高的脱溶势垒导致电荷转移电阻增大，造成严重的电池极化现象，最终导致电池容量迅速衰减。在高温环境下，电极、电解质界面上会产生更多的副反应，甚至出现热失控、短路、起火等情况。

在大电流密度下，外电路中的电子传输速度会加快，电子在负极处不会立即被消耗掉，从而导致聚集。根据空间电荷模型，我们可以得知负电荷的聚集会产生电场，吸引溶液中的Na⁺，从而形成钠枝晶，而电极-电解质界面上有限的传质速率会导致还原反应产生的钠在电极上分布不均，引起局部电流密度增加，进而导致钠枝晶数量的增长。

在设计电解液成分时，我们不可避免地要考虑盐和溶剂的一些物理化学特性，包括粘度、闪点、离子电导率、热力学稳定性、氧化稳定性、界面稳定性等。此外，Na+在液体环境中的溶剂化结构也值得深入研究。一般来说，富含阴离子的溶剂化结构有利于形成富含无机物的SEI，但这种溶剂化结构通常基于较高的钠盐浓度或添加剂的使用。盐浓度升高会导致电解质的整体粘度升高，降低离子传输速率，增加电池阻抗，而添加剂的使用可能会导致成本增加或影响电池性能。此外，Na⁺的溶剂化结构直接影响界面上的脱溶剂化能，设计电解质成分来降低钠的溶剂化能力是实现低电荷转移电阻的一种方法。值得注意的是，弱溶剂化能通常意味着盐的解离差，会影响电解质的离子电导率，因此在调节电解质时平衡离子电导率和溶剂化能力非常重要。总之，在不同极端条件下的钠金属电池电解质设计的过程中，我们需要权衡各种因素的重要性及其可能产生的不良影响，以优化电池的整体性能。

Advanced Electrolytes for Sodium Metal Batteries Under Extreme Conditions

刘俊杰，山东大学2023级硕士生。硕士期间研究方向为高性能碱金属电池电解液设计