中国科学院苏州纳米所吴晓东研究员/许晶晶项目研究员AFM：弱极性醚辅助离子液体电解液助力宽温高安全钠金属电池

第一作者：刘洋，鲁苏皖

通讯作者：许晶晶*，郑杰允*，吴晓东*

单位：中国科学院苏州纳米所，中国科技大学纳米技术与纳米仿生学院

钠金属电池（SMBs）因使用低成本，高理论比容量（1166 mAh g^-1）和低氧化还原电位（相对于SHE -2.71 V）的钠金属作负极，是极具潜力的下一代二次电池。然而，SMBs面临着一系列挑战，包括由于Na沉积行为不均匀而导致的枝晶生长，高活性Na金属负极与电解质之间的界面副反应引起的电解质分解并产生易燃气体，从而引发泄漏和燃烧，造成重大的安全隐患。为了解决上述问题，人们采取了多种策略，包括通过电解质工程调节来提高Na金属负极的化学稳定性，构建稳定的人工固体电解质界面（SEI）层来抑制界面副反应，以及设计纳米结构的Na金属负极来降低局部电流密度以实现均匀的Na沉积行为。

近日，中国科学院苏州纳米所吴晓东研究员/许晶晶项目研究员联合中国科学院物理所/天目湖先进储能技术研究院郑杰允高工在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Weakly Polar Ether-Aided Ionic Liquid Electrolyte Enables High-Performance Sodium Metal Batteries over Wide Temperature Range”的观点文章。指导学生以双三氟甲基磺酰亚胺钠（NaTFSI）盐和1-甲基-1-丙基吡咯烷鎓双(氟磺酰)亚胺（[Py13][FSI]）溶剂，辅助1,2-双（1,1,2,2-四氟乙氧基）乙烷（TFEE）稀释剂，制备了一种宽温域不易燃离子液体电解液（TILE）。独特的Na+溶剂化结构保证了负极表面形成阴离子诱导衍生的固态电解质界面层（SEI），有效地抑制了界面副反应及Na枝晶的形成。得益于此，使用该电解液的Na₃V₂(PO₄)₃(NVP)||NaNaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂(NaNFM)||Na电池均展现出了优异的宽温度长循环性能。

中国科学院苏州纳米所博士生刘洋和硕士生鲁苏皖为本文共同第一作者，中国科学院苏州纳米所吴晓东研究员、许晶晶项目研究员和中国科学院物理所/天目湖先进储能技术研究院郑杰允高工为本文的通讯作者。相关工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金的资助。该工作感谢中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）提供的测试帮助，并感谢中国科学院物理所/天目湖先进储能技术研究院李泓研究员和王志诚博士在实验过程和论文撰写中给予的指导和帮助。

离子液体（IL）是由阳离子和阴离子组成的溶剂，具有极低的挥发性、优异的热稳定性、不可燃性和宽电化学窗口。特别是IL中丰富的阴离子可以与Li⁺/Na⁺阳离子配位形成阴离子包裹的溶剂化结构，极易在负极表面形成阴离子衍生的SEI层，因此IL基电解质是一种潜在的碱金属电池安全电解质。选用双三氟甲基磺酰亚胺钠（NaTFSI）盐和1-甲基-1-丙基吡咯烷鎓双（氟磺酰）亚胺（[Py13][FSI]）溶剂。在此基础上，引入一种弱极性的氟醚溶剂TFEE，其不参与Na⁺的溶剂化结构，但具有比其他氟醚更高的沸点（141 ℃）和闪点（45 ℃）。因此在IL电解液中引入TFEE后（TILE），不仅能有效降低粘度，提高离子导电率，而且能够保证电解液的高安全性和宽温性能（图1）。

电解液在Na||Na中展现了较低的极化（~0.18V）和优异的循环稳定性（0.26 mA cm^-2下稳定循环超过1400小时），表现出较好的钠金属兼容性。将循环后的电池拆解，也可以观测到光亮的钠金属表面，并且在扫描电镜下也能够看出均匀的Na沉积形貌（图2）。通过进一步的XPS分析，可以看出Na金属表面富含无机NaF成分，可以认为是以FSI-/TFSI-阴离子为主导衍生的SEI，其在保证高离子电导的同时，防止了电极与电解液的界面副反应，并确保了稳定均匀的钠金属沉积行为。

得益于设计的离子液体电解液的综合特性，使用TILE电解液的 Na₃V₂(PO₄)₃||Na扣式电池展现出了优异的宽温域长循环性能，在室温5C倍率下循环2000次后容量保持率仍高达95.5%，平均库伦效率大于99.9%，并支持60 °C到-20 °C下的稳定循环。该电解液在宽温域高电压NaNaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂||Na电池中的应用同样表现出了优异的电化学性能，在常温和-20 °C低温环境下均实现了稳定的循环（图3）。本研究为高性能不可燃宽温域离子液体电解液在高比能钠金属电池中的应用提供了新的设计参考。

Weakly Polar Ether-Aided Ionic Liquid Electrolyte Enables High-Performance Sodium Metal Batteries over Wide Temperature Range

许晶晶：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，项目研究员，硕士生导师。主要从事功能电解液及高安全锂电池、聚合物固态电解质及固态电池、锂/钠-硫电池等研究

郑杰允：中国科学院物理研究所，高级工程师，主要从事锂离子电池材料与失效机理研究与产业化工作

吴晓东：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，研究员，博士生导师。主要从事锂离子电池、锂/钠-硫电池、锂金属电池及固态电池的关键材料与器件研究

刘洋：中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院在读博士，主要研究方向为钠基电池的材料与界面

鲁苏皖：中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院在读硕士，主要研究方向为高性能室温钠硫电池材料与器件

中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所吴晓东研究员课题组主要致力于储能材料与器件的研究，包括锂硫电池、钠硫电池、新型液态及固态电解质及电极、电解质界面等。