温州大学李林&山东理工翁俊迎、牛之慧&伍伦贡大学王佳兆ACS Energy Letters：突破低温钠离子电池电荷转移限制- 大数跨境

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温州大学李林&山东理工翁俊迎、牛之慧&伍伦贡大学王佳兆ACS Energy Letters：突破低温钠离子电池电荷转移限制

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2024-12-23

导读：本文通过碳纳米管作为导电剂的P2-Na0.67Mn0.67Ni0.33O2（NMNO-CNTs）正极和四氢呋喃（THF）诱导的弱溶剂化电解液解锁了低温 SIBs 的电荷转移限制。

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文章信息

突破低温钠离子电池的电荷传输限制

第一作者：周朋飞赵忠俊

通讯作者：翁俊迎*，牛之慧*，王佳兆*，李林*

单位：山东理工大学，伍伦贡大学，温州大学

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研究背景

由于资源丰富且成本低廉，钠离子电池（SIB）被认为是锂离子电池（LIB）在储能系统极具潜力的补充。更值得注意的是，由于钠离子更小的Stokes半径，具有更小的脱溶剂化能，因此有望实现比锂离子电池更优越的低温性能。然而，在极端温度下，由于电解质中Na⁺的传输、Na⁺在电极/电解质界面处的脱溶剂化、界面层内的Na⁺运动以及电极内电子和Na⁺的传输相关的电荷转移限制等导致钠离子电池在低温下容量快速衰减和循环稳定性差的问题，这不可避免地阻碍了其广泛应用。到目前为止，多种策略都证明了在激发 SIBs 低温性能方面的有效性，包括电解液优化、表面电子电导率调控、电极结构工程等。尽管取得了许多进步，但实现在高电流密度下的长循环稳定性、高能量密度和功率密度仍然是低温钠离子电池巨大的挑战。因此，迫切需要探索一种有效的策略来解锁电荷转移限制并揭示其作用机制以推动低温钠离子电池发展。

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文章简介

基于此，山东理工大学周朋飞副教授联合温州大学李林特聘教授在ACS Energy Letter期刊上发表题为“Unlocking Charge Transfer Limitation Towards Advanced Low-Temperature Sodium-Ion Batteries”的研究性论文。在本研究中，通过碳纳米管作为导电剂的P2-Na_0.67Mn_0.67Ni_0.33O₂（NMNO-CNTs）正极和四氢呋喃（THF）诱导的弱溶剂化电解液解锁了低温 SIBs 的电荷转移限制。前者构建了稳健的电子传输通道，而后者促使富含阴离子溶剂化鞘形成，加速 Na⁺ 脱溶剂化并构筑富含无机物的电极-电解液界面。得益于快速电荷转移动力学，Na||NMNO-CNTs 电池在3600次循环后容量保留率高达92.7%，在-40 °C下每个循环的衰减率为0.002%。此外，硬碳||NMNO-CNT 全电池实现了2324.0 W kg^-1功率密度，在800 mA g^–1下能量密度为 262.7 Wh kg^-1，并在-40 °C下循环1500次后，容量保持率为86.5%，展示了巨大潜力的实际应用。

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本文要点

要点一：三维导电网络构筑

本研究通过引入碳纳米管导电剂构建三维导电网络提升了电子电导率，实现了卓越的低温性能。NMNO与CNTs复合后（NMNO-CNTs）表现出更低的低温电荷转移电阻和更高的电化学性能。

图 1. 三维导电网络构建与表征

要点二：低温电解液设计

实验和理论计算分析发现THF分子的加入，降低了Na⁺-O(G2)的配位数并使得配位距离变远，构建了一种“疏松结构”，增加六氟磷酸根在溶剂化结构中的配位数，在降低Na⁺与溶剂之间的相互作用的同时有望构筑稳定电极-电解液界面。

图 2. 溶剂化结构研究

要点三：稳定的电极-电解液界面构筑

在金属钠负极方面，THF的加入可以有效抑制钠枝晶的生长，促进钠均匀沉积；在正极一侧，THF的加入可以在电极表面形成了组分更加稳定且薄电极-电解液界面。

图 3. THF添加剂对正负极界面研究

要点四：动力学过程研究

通过原位阻抗对充放电过程中的电化学过程进行监测，THF的加入显著促进了脱溶过程的动力学，提升了整个充放电过程的动力学。

图 4. 动力学过程研究

要点五：卓越的低温电化学性能

在-40℃下，使用5% THF（GT-5%）的电解液的Na||NMNO-CNTs电池展现出优异的倍率性能和循环稳定性，即使在800 mA g^-1的高电流密度下，也保持高的能量密度和功率密度。在3600次循环后，含有GT-5%电解液的Na||NMNO-CNTs电池仍保持83.4 mAh g^-1的可逆容量、92.7%的高容量保持率。

图 5. 低温电化学性能

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文章链接

Unlocking Charge Transfer Limitation toward Advanced Low-Temperature Sodium-Ion Batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.4c02952

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通讯作者简介

翁俊迎，山东理工大学副教授，硕士生导师，2017年博士毕业于南开大学，师从张拥军教授。主要研究方向为电极材料设计与电化学特性研究，以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Energy Lett.、Energy Storage Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Energy Chem.等期刊上发表SCI论文30余篇，主持山东省自然科学青年基金、企业课题等项目。

牛之慧，山东理工大学副教授、硕士生导师，2019年博士毕业于苏州大学，师从赵宇教授。主要研究方向为有机储能的设计及理论研究，以第一（共一）/通讯作者在Energy Environ. Sci.、Chem、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.、J. Energy Chem.等期刊上发表论文20余篇，主持国家自然科学青年基金、山东省自然科学青年基金等项目。

王佳兆，伍伦贡大学教授。研究方向主要集中在能源存储与转化，包括锂离子电池，锂空气电池，锂电池，钠离子电池以及铅酸电池和超级电容器等。王佳兆教授在国际学术期刊上发表研究论文两百多篇，引用次数超26000次，H-影响因子为88，2018年入选科睿唯安（Clarivate Analytics）年度“高被引科学家”。作为首席研究员 (CI) 获得了 30 多项研究资助，其中包括 22 项澳大利亚研究委员会 (ARC)资助。同时，也是5个ARC Discovery Projects (DP)和 5个ARC Linkage Projects (LP)的独立CI、第一个CI和APD研究员。曾担任10多个国际会议以及专题讨论会和研讨会的联合主席或组织委员会成员。受邀在全球范围内举办60多场主题演讲/邀请讲座/研讨会。是60多种国际知名期刊的特约审稿人。担任澳大利亚研究委员会的项目评审专家。

李林，温州大学瓯江特聘教授，温州大学碳中和技术创新研究院副院长、院科协主席，浙江省科协青年人才托举培养项目、温州市高层次人才计划入选者。主要从事二次电池关键材料和功能性电解液研发，致力于宽温域、快充、高安全二次电池的构建。目前已发表SCI论文80余篇，其中高被引论文17篇，总被引7200余次，H-index为37；以第一作者/共同第一作者/通讯作者身份在Natl. Sci. Rev.、Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.、Angew. Chem. Int. Ed. (9)、Adv. Mater. (2)、Joule、ACS Energy Lett. (2) 、ACS Nano、Adv. Funct. Mater. (5)等学术期刊发表论文40余篇，申请国家发明专利15项，授权1项，研究成果受到国内外同行的广泛认可。主持国家自然科学基金等项目8项，参编英文专著《Electrochemical Potassium Storage: Principles, Materials, and Technological Development》1章节，参与编制《钠离子电池用有机电解液》等团体标准4项。现为eScience、Carbon Energy、Materials Chemistry Frontiers、Nano Research等期刊青年编委以及Batteries期刊客座编辑。