溫州大學侴術雷Angew：阻燃、循環穩定、安全性高的鈉離子電池

【研究背景】

開發集高能量密度、成本效益、環境友好和安全性于一體的儲能系統仍然是人類面臨的最大挑戰之一。目前商用鋰離子電池（LIBs）無法滿足所有這些要求，因為如果用于大規模電網儲能，會產生嚴重的安全隱患和成本問題。鈉離子電池（SIBs）似乎是最具吸引力的策略，因為鈉礦物資源幾乎無限，在全球范圍內分布均勻，成本遠低于鋰。然而，與鋰離子電池類似，鈉具有很高的化學活性，使用傳統的碳酸鹽基電解液是在濫用條件下造成重大安全危害的主要因素，如機械沖擊、熱沖擊、過充電、短路等。然而，作為最終解決方案，使用不易燃電解液容易產生副作用，且其與電極的兼容性差，極易導致電池失效。

【成果簡介】

溫州大學侴術雷教授報告了一種非易燃電解液設計，以實現高性能的鈉離子電池，它通過氫鍵調節電解液的溶劑化結構和優化電極-電解液界面來解決這一難題。報道的不可燃電解質允許磷酸釩鈉@硬碳和普魯士藍@硬碳全包電池穩定充放電循環超過120次，容量保持率>85%和高循環庫侖效率（99.7%）。該文章近日以題為“Fire-retardant, stable-cycling and high-safety sodium ion battery”發表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖一、NaTFSI-TMP/BTFE/VC電解質的物理性質和電化學穩定性

（a-b）傳統1 M NaPF6-EC/DEC電解液和1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE /VC電解液的易燃性測試。

（c）TMP、BTFE、TFSI^-和VC的前線分子軌道能級。

（d）在1.2 M NaTFSI TMP/BTFE/VC電解液中，以1.0 mA/cm²、2.0 mAh/cm²的速度恒電流電鍍/剝離Na/Na對稱電池。

（e）在掃描速率為0.1 mV s^-1的1.2 M NaTFSI TMP/BTFE/VC電解液中，NVP、PB和HC電極的CV以及1.2 M NaTFSI TMP/BTFE/VC電解液的電化學穩定性窗口。

（f-g）NVP||Na、PB||Na和HC||Na電池在1.2m NaTFSI TMP/BTFE/VC電解液中的長期循環穩定性試驗。

（h）常規1M NaPF6 EC/DEC、高濃度3.1M NaTFSI TMP和稀釋的1.2M NaTFSI TMP/BTFE/VC電解質的性能對比。

圖二、軟包電池的電化學性能

（a, c）NVP||HC 和 PB||HC 軟包電池的初始充放電曲線。

（b, d）在0.1 C的速率下相應的循環性能。

（e）軟包電池的尺寸。

（f）軟包電池的可燃性測試。

（g）火焰燒毀電池的驗尸解剖。

圖三、循環NVP、PB和HC電極的驗尸表面分析

（a-c）通過XPS對陰極100次循環和陽極20次循環后NVP、PB和HC上的CEI和SEI成分進行表征。

（d）在1 M NaPF6-EC/DEC和1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE/VC電解質中循環的三個電極的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。

（e-g）在1.2 M NaTFSI TMP/BTFE/VC電解液中，在不同Ar⁺濺射持續時間內，正極100次循環和負極20次循環后，NVP、PB和HC電極上的C 1s、O 1s、N 1s、F 1s、S 2p和Na 1s光譜的原子比例。

（h）在1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE/VC電解質中正極和負極上形成CEI和SEI的示意圖。

圖四、電解質溶劑化結構的實驗和理論研究

（a）不同溶劑和電解質的天然豐度¹⁷O-NMR譜圖。

（b-d）3.1 M NaTFSI-TMP電解質、1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE電解質和1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE/VC電解質的模擬電解質結構。

（e）從cMD模擬軌跡計算的3.1 M NaTFSI-TMP、1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE和1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE/VC電解質中Na⁺的徑向分布函數。

（f）BTFE、TMP和VC的ESP對比。

（g）依次添加BTFE和VC的電解質結構變化示意圖。

【全文總結】

綜上所述，作者展示了一種通過添加少量添加劑來調節分子間氫鍵效應來優化電解質的溶劑化結構和中間相（CEI和SEI）組成的策略。因此，為鈉離子電池開發了1.2 M NaTFSI TMP/BTFE/VC（0.53:1:1.5:0.15摩爾比）非易燃電解液。非易燃電解質與各種電極具有良好的相容性，循環庫侖效率高、循環穩定性好。這種電解質可以同時穩定正極（NVP和PB）和負極（HC）的中間相，從而實現穩定的循環性能。為了證明電解質的實際應用，含有1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE/VC電解質的NVP||HC和PB||HC軟包電池顯示出優異的循環穩定性和增強的安全性能。電解質設計具有極高的可用性和兼容性，可以擴展到不易燃或阻燃溶劑和堿性鹽的各種組合，為安全和高性能可充電電池的開發提供了強勁的助力。

文獻鏈接：Fire-retardant, stable-cycling and high-safety sodium ion battery (Angew. Chem. Int. Ed. 2021, DOI: 10.1002/anie.202112382)

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