ESM：共嵌机制电解液在钠离子电池中的研究进展

文章系统的探讨了钠离子电池研究领域中的关键议题—共嵌机制，该机制主要涉及溶剂分子、钠离子与电极材料间的复杂交互作用，对电池性能以及效率具有深远影响。文章指出，尽管对共嵌机制已有初步理解，但其深层机制仍需进一步揭示。特别地，溶剂分子在离子传输和电极材料结构中的作用，以及钠离子与电极材料的交互作用，是未来研究的重点。同时，醚基电解液在钠离子电池应用中也面临诸多挑战，如抗氧化性不足、与高电压正极材料兼容性差以及界面稳定性等问题，也亟待解决。为解决上述问题，文章提出了优化电解液配方、高电压正极材料表面改性以及界面工程设计等策略。此外，针对碳基负极在醚基电解液中的容量提升等问题，文章也提出了优化电解液配方、选用合适添加剂以及深入研究界面反应机制等策略。随着共嵌机制研究的深入和技术创新，钠离子电池性能有望显著提升，将极大推动后续新能源领域的飞速发展。

石墨作为典型的锂离子电池负极材料，不仅能与Li+形成LiC6二元石墨插层化合物，还能与相对分子质量更大的碱金属阳离子(如K⁺)及多种阴离子（如PF₆^–、TFSI^–）形成二元石墨插层化合物。然而，Na⁺却很难嵌入石墨层间形成富含Na⁺的二元石墨插层化合物。这种反常现象主要是因为Na⁺的二元石墨插层化合物具有正的形成能，并且Na⁺与大多数基底之间的结合能极弱，对钠化过程造成严重阻碍。针对这一现象，研究人员摒弃了将Na⁺嵌入石墨层间形成二元石墨插层化合物的传统思路，而采用Na⁺与溶剂分子共同嵌入石墨层间的机制，形成由Na⁺、溶剂分子和石墨共同构成的三元石墨插层化合物，这一发现为石墨负极在钠离子电池中的应用带来了契机。

在开发高性能钠离子电池的过程中，对电极-电解质界面（SEI）的深入理解成为了一个关键性的技术瓶颈。SEI作为连接电解质与负极的桥梁，其形成与特性直接决定了电池的离子传输效率、电子绝缘性以及溶剂分子的阻隔能力，是确保电池性能稳定与优化的核心要素。理想的SEI应在首次充放电周期内形成，展现出卓越的电子绝缘性和溶剂不渗透性，从而有效调控阳离子的扩散路径并防止电子泄露。SEI理论的成功构建，为宏观电池性能与微观电解质行为之间架起了桥梁，使我们能够通过调控电解质的成分与功能，精确塑造SEI的机械强度、孔隙结构及电子结构（如HOMO-LUMO能级），进而实现电池能量密度的提升、循环寿命的延长以及快速充放电能力的增强。然而，SEI的形成机制复杂且动态变化，深受溶剂化过程影响。溶剂化离子在电解质中的迁移及其与电极表面的相互作用，是SEI构建的关键步骤。这一过程中，溶剂分子与电解质盐的相互作用不仅调控着电解液的离子导电性，还深刻影响着电极界面的化学反应路径，最终决定SEI的组成、结构与稳定性。此外，SEI理论的局限性也不容忽视，某些实验现象如电解质不相容导致的石墨剥落、阳极容量衰减及低库仑效率等问题，仍难以单纯通过现有理论完全阐释，这预示着我们对电池内部复杂机制的理解尚需进一步深化与探索。

共嵌电解液展现出极为广泛的应用潜力，不仅覆盖了石墨、硬碳等碳基材料领域，还深入渗透至合金机制、转换反应乃至正极材料体系，甚至成功应用在磷酸钒钠等全电池系统，彰显了其跨领域的适应性。在实际应用中，传统的酯基电解液常因工作电压超出其稳定范围而发生分解，这不可避免地在阳极表面形成了厚重的固体电解质界面膜（SEI），进而降低了初始库仑效率（ICE）并引发了显著的极化现象。相比之下，得益于共嵌反应的存在，醚基电解液在钠离子电池中重获新生，在实际应用中表现出比酯基电解液更加优异的电化学性能。不仅能实现数百次的稳定循环，而且表现出卓越的可逆性。这一提升的关键在于，醚基电解液在较低电压下有效减少了不必要的钠沉积，从而优化了电池性能。进一步而言，醚基电解液相较于酯基电解液，展现出更为优异的物理与化学性质，其更高的离子电导率与Na⁺扩散系数，加之更快的反应动力学，共同促成了在电极表面形成更轻薄且更耐久的SEI层。这些优势不仅提升了电池的整体性能，也为未来高性能电池系统的开发提供了坚实的基础。

2．正极材料性能优化的迫切需求

开发高性能醚基电解质钠离子全电池需从电极材料选择与结构设计入手。选取具有优异钠离子动力学与结构稳定性的电极材料，并通过精细调控其结构与形貌，增强其钠离子存储能力。同时，确保电极材料与醚基电解质的良好兼容性，减少副反应。通过添加剂的精准调控，优化电解液物化性质与电极相容性，最终实现全电池性能的整体提升。

4.添加剂策略的创新与实践

设计高效添加剂需明确其目标功能，如促进SEI形成或提升导电性。基于化学成分与功能机制，筛选适合特定应用的添加剂，并全面评估其安全性、稳定性及相容性。通过精细化实验设计与性能测试，确定添加剂最佳浓度范围，并结合电池实际需求与工作条件，优化电解液配方，以达到最佳性能平衡。

5.计算仿真与表征技术的革新

鉴于SEI的复杂性与现有表征技术的局限性，探索先进的计算仿真与表征手段成为必要。结合实验与模拟，深入剖析碳基负极与醚基电解液间的界面反应机制，为性能优化提供坚实的理论基础。这不仅有助于解决SEI形成与性能的争议性问题，也为新型电解质与电极材料的开发指明方向。

崔润竹：中国矿业大学材料与物理学院22级硕士研究生，中共预备党员。已合作发表一区SCI论文两篇；获得优秀毕业生奖学金、一等学业奖学金、“协鑫”企业集萃奖学金、挑战杯黑科技专项赛一等奖、挑战杯学术科技作品竞赛二等奖、行健杯材料物理论坛三等奖等。曾获“校庆优秀志愿者”、“优秀本科毕业生”、“优秀共青团员”等称号。

邢政：2007年本科毕业于山东大学化学与化工学院，2013年获得中国科学技术大学无机化学专业理学博士，导师为著名无机固体化学家钱逸泰院士，随后于中国矿业大学材料与物理学院任教。当前主要研究领域为先进功能材料与无机合成化学，锂、钠、钾离子电极材料的设计、制备及其应用探索。第一作者或通讯作者在Energy Storage Materials、Nano Research等期刊合作发表SCI论文60余篇，被引4000余次，并有多篇论文入选ESI高引论文；获得国家授权发明专利十余项。

鞠治成：2011年获山东大学化学院理学博士学位，随后于中国科学技术大学无机化学专业从事博士后研究，2013年入职中国矿业大学材料科学与工程学院。2017-2018年，于新加坡国立大学著名科学家Jim Yang LEE课题组开展访学研究工作。当前主要研究领域为煤基炭材料电化学储能研究；新型储能材料的可控合成及新型功能电解质开发。在Advanced Materials；Advanced Energy Materials；Energy Storage Materials等国际重要杂志上合作发表SCI论文100余篇，总计被引8000余次。