广东工业大学刘全兵教授课题组Nano Energy：硼阴离子调节溶剂化构建高通量界面助力高性能钠金属电池二次

第一作者：杨梓颢

通讯作者：杨天翔、洪芸、刘全兵

论文DOI：10.1016/j.nanoen.2025.111083

通讯单位：广东工业大学，化学与精细化工广东省实验室揭阳分中心（榕江实验室）

钠金属负极由于具有较高的理论比容量 (1166 mAh g⁻¹)以及较低的电极电位（−2.71 V vs. SHE）而成为钠二次电池最具前景的候选负极材料之一。钠枝晶生长以及产气膨胀等问题也是制约钠金属负极应用的主要因素。针对钠离子电池存在的技术难题，碳酸丙烯酯（PC）虽然具有宽温度适应范围，但粘度高，影响离子迁移，导致倍率性能差。PC在钠金属表面难以形成稳定SEI膜，导致持续副反应，循环寿命差。当前仍需要一种电解质策略实现PC和钠金属界面的兼容以实现宽温域的钠金属电池。

基于此，来自广东工业大学的杨天翔博士后、洪芸讲师与刘全兵教授，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Construction of high-throughput interface phase using boron containing anions to regulate solvation structure and achieve high-performance sodium metal batteries”的文章。该文章开发了一种新型电解质添加剂-二氟草酸硼酸钠(NaDFOB)， 这项工作解释了添加剂NaDFOB的引入对体电解质溶解结构的影响，NaDFOB在正负极表面形成均匀固体电解质界面膜（CEI/SEI）的分解机理以及Na⁺的快速去溶剂化，最终促成了高通量 SEI 的形成，显著提升电池稳定性。

钠离子去溶剂化能动力学与形成SEI示意图。

径向分布函数 (RDF)可以看出NaDFOB的引入能有效提升Na⁺和阴离子的配位形成富含阴离子的溶剂化靴层，这可以由两种电解质所统计的溶剂化结构比例得到验证（图1 c-d）。此外，Na⁺和电解液阴离子之间的动态结合较稳定（图2 e）。DFOB-的引入进入了溶剂化鞘层，其富含阴离子的溶剂化团簇分子(CIPs、AGGs)的HOMO 能级增加、LUMO 能级降低，表明其容易在正极 NFM 表面上优先氧化分解为富含氟化物和硼化物的 CEI以及负极钠金属优先还原为SEI。

图1. Na⁺的溶剂化结构。

要点二：NaDFOB添加剂对NFM111 || Na电池性能的影响

NaDFOB添加剂对NFM111||Na电池性能具有显著影响，展现出卓越的速率性能和长期循环稳定性，并且展现出良好的宽温域特性。通过SEM和TEM观察正极界面，添加NaDFOB后，NFM111阴极在循环后形成了更薄、更均匀、更密集的CEI层，有效保护了阴极结构，减少了裂纹和沉积。XPS分析显示，NaDFOB电解质中CEI层的化学成分得到了优化，有效钝化了NFM1111阴极，抑制了溶剂副反应，并阻碍了过渡金属离子的溶解。

图2. 钠金属全电池的电化学性能。

图3 循环 50 次后的 NFM 电极表面分析。

要点三：NaDFOB添加剂促进均匀Na沉积并提升界面动力学性能

NaDFOB添加剂显著促进了钠金属阳极的均匀沉积，展现出快速了界面转移动力学，提高了交换电流密度，降低了钠离子传输和脱溶化的活化能。形成了致密光滑的SEI层。对溶剂溶解的起到抑制作用。SEI层中NaF和B2O3等无机化合物含量显著增加，赋予SEI层优越的力学性能和离子电导率，显著提升钠金属阳极的稳定性。

图4. Na金属半电池的电化学性能。

图5 . 循环 50 次后钠金属阳极的界面分析。

要点四：NaDFOB的对电解质界面动力学的影响。

引入 NaDFOB 形成的 CIP 降低了脱溶剂化屏障 （0.23 eV），这反映在 Na⁺在电极/电解质界面处的加速脱溶剂化（图 6a）BE-NaDFOB 电解质有效地增强了 Na⁺和阴离子的配位，形成了富含阴离子的溶剂化引导层，加快了Na⁺扩散过程（图6c）。此外，富含阴离子的内部溶剂化壳层导致形成薄而均匀的 SEI，这加快了相界面传输速率。更重要的是，采用BE-NaDFOB的HC ||NFM111圆柱形电池和软包电池表现出出色的性能。

图6. Na⁺去溶剂化动力学以及软包、圆柱电池性能。

本工作提出将NaDFOB作为酯基电解质的添加剂，通过加强与Na⁺的配位来调节原电解质的溶剂化结构，实现了阴离子聚集的Na⁺溶剂化靴层。Na⁺ 的快速解溶解促进了 SEI 在负极上均匀沉积钠离子，形成具有良好电子绝缘性和较高机械强度的 NaF 和B₂O₃的CEI/SEI。NaDFOB添加剂在 NMF111||HC软包电池、NMF111||HC圆柱电池、宽温度范围和快速充电的纽扣电池中表现出优异的性能。这项工作激励我们开发更多的电解质添加剂，以调节电解质的溶解结构，并通过调节正负极CEI/SEI在宽温度范围内实现高性能SMBs。

杨梓颢：硕士研究生，研究方向为锂/钠金属二次电池电解液设计，目前发表SCI论文2篇。

详细见个人主页：https://qghgxy.gdut.edu.cn/info/1092/2777.htm