科学材料站
文 章 信 息
通过匹配弱溶剂与电沉积负极，获得了−50°C下高容量保持率的钠金属电池
第一作者：胡超
通讯作者：方国赵*，张强*
通讯单位：中南大学，清华大学
科学材料站
研 究 背 景
钠金属电池由于高能量密度以及丰富的钠资源受到了越来越多的关注，被认为是下一代大规模储能的候选电池体系。然而，在低温条件下，钠金属负极存在界面动力学迟缓、沉积/剥离不稳定等挑战，尤其是与碳酸酯类电解液匹配时。碳酸酯类电解液与各类正极材料兼容性好，特别是具有较高电压的层状正极材料，且其实用化可以从锂离子电池中获得良好的经验参考。因此，探索碳酸酯类钠金属电池低温性能的提升具有十分重要的意义。
科学材料站
文 章 简 介
近日，清华大学张强教授与中南大学方国赵教授等人，在国际知名期刊Angew. Chem.上发表题为“Carbonate Ester-Based Sodium Metal Battery with High-Capacity Retention at −50°C Enabled by Weak Solvents and Electrodeposited Anode”的研究论文。通过碳酸酯类电解液的弱溶剂设计，使碳酸酯基电解液的冰点降至−80°C以下。同时，通过构筑了电沉积负极，减小了界面脱溶剂化能，并形成了富含NaF、Na3N等无机组分的固体-电解质界面膜。该文章从电解液设计和钠金属负极构筑两方面，显著提升碳酸酯类钠金属电池的稳定性，并实现在−50°C下的高容量保持率。
科学材料站
本 文 要 点
要点一：电解液的物理化学特性
首先对电解液进行筛选。在低温电解液设计中需要避免使用高冰点的碳酸乙烯酯（EC，36.4°C），同为环状结构的碳酸丙烯酯（PC，−48.8°C）使一个更好的选择。同时，增加体系中的碳酸二乙酯（DEC）组分，由于其低的冰点（−74.3°C）和与Na+之间弱的相互作用，可以拓宽电解液液程并减小界面脱溶剂化能。氟代碳酸乙烯酯（FEC）则用于优先在负极成膜以提升负极/电解液界面稳定性。
要点二：Na负极和Cu/Na负极与电解液之间的动力学和可逆性
即使使用同一款电解液，电沉积的Cu/Na负极相较于常规的Na负极而言具有更快的动力学过程，Tafel测试可以证明这一点。对称电池说明在常温和低温下，Cu/Na负极都可以实现比Na负极小得多的极化。
要点三：SEI膜表征
对不同负极表面的SEI膜进行了成分分析。Cu/Na负极具有更富无机的SEI膜，含有NaF和Na3N等成分。随着溅射的进行，Cu/Na的SEI膜中始终分布阴离子分解产物，而对于Na负极而言阴离子分解产物只在表面含有。Cu/Na负极与E2电解液所衍生的SEI膜受温度的影响较小。
要点四：负极/电解液界面的动力学模型
常规的钠金属负极动力学缓慢，极化曲线通常由两段组成，其中的高极化电压部分对应于钠离子穿过钠金属表面富有机组分的SEI膜，这导致电池的低温性能严重衰减。而通过简单的电沉积工艺，电解液中阴离子始终能参与SEI膜的形成，从而使电沉积钠形成富无机组分（NaF、Na3F等）的SEI膜。电沉积负极的极化曲线始终能保持低的极化电压，匹配低脱溶剂化能与宽温域的电解液，加速了钠金属电池在低温下的动力学过程。
要点五：钠金属电池电化学性能
匹配正极材料组装电池，在常温和低温下，Cu/Na||NaCrO2电池搭配设计的E2电解液都实现了极化的降低，获得了优异的倍率性能以及稳定的循环。
在−40°C和−50°C的极低温度下，钠金属电池依旧能实现稳定工作，并保持了高的比容量。即使是在温度不断变化的大气环境中，电池依旧能稳定工作一个月。本工作拓宽了碳酸酯基电解液的使用范围，为提升碳酸酯基钠金属电池在低温下的电化学性能提供了一种新策略
科学材料站
文 章 链 接
Hu et al. Carbonate Ester-Based Sodium Metal Battery with High-Capacity Retention at −50°C Enabled by Weak Solvents and Electrodeposited Anode
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202407075
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看