阎兴斌教授团队在钠离子电池电解液领域取得进展

钠离子电池因其在钠元素储量和原料成本方面优于锂离子电池，在未来大规模储能领域具有重要的研发价值。电解液作为电池的关键组分，直接影响电池的能量密度、功率密度、倍率、寿命和安全性等关键性能。醚类电解液具有库伦效率高、倍率性能好、电荷转移能垒低等特点，已经广泛用作研究钠离子电池负极的电解液；但由于醚分子中存在易受亲核攻击的α-H原子，通常认为醚类电解液不耐高压（4.0 V及以上）。然而，近期的研究结果已经初步展示了一些醚类电解液可用于高电压氟磷酸盐正极（截止电压高达4.3 V）。这就引出了两个有意思的问题：醚类电解液真的不适合高压钠离子电池吗？如果适合，为什么？

为了回答上述问题，阎兴斌教授课题组配备了四种常见的醚类电解液（浓度均为1 mol/L，钠盐为NaPF₆），以高电压氟氧磷酸钒钠为正极（平均电压3.8 V），金属钠为负极，评估了它们在高压下的耐氧化性。研究发现，乙二醇二乙醚和四乙二醇二甲醚溶剂化钠离子的能力较弱，使得阴离子进入第一溶剂化鞘中，降低了它们的氧化稳定性；乙二醇二乙醚无法承受4.3 V的高截止电压而失效，四乙二醇二甲醚则表现出较低的库伦效率，较差的倍率和循环性能。相比之下，基于乙二醇二甲醚和二乙二醇二甲醚的电解液的溶剂化结构主要由溶剂分子主导，这使其得以在2.5-4.3 V的电压区间内稳定循环，倍率性能也明显更优。为了进一步证明醚类电解液在全电池中的实用性，以沸点较高的二乙二醇二甲醚配备的电解液组装了石墨//氟氧磷酸钒钠全电池，该电池可以实现较高的功率密度（5424.3 W kg^-1）和能量密度（126.3 Wh kg^-1）。这项工作揭示了醚类电解液在高电压下的氧化稳定性与其特定的溶剂化结构之间的密切关系，有助于醚类电解液在高电压钠离子电池中的发展。

图1 基于乙二醇二甲醚（G1）、二乙二醇二甲醚（G2）和四乙二醇二甲醚（G4）溶剂的氟氧磷酸钒钠半电池的倍率和循环性能。

图2 石墨//氟氧磷酸钒钠全电池的电化学性能。

相关工作以“Revisiting Ether Electrolytes for High-Voltage Sodium-Ion Batteries”为题发表在Energy Storage Materials期刊【Volume 73, November 2024, 103815】，我院21级博士研究生李帅旗为论文第一作者，阎兴斌教授与团队朱剑副教授为论文共同通讯作者，中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金重点项目、广东省科学院科技发展项目和中山大学测试中心等的大力支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S240582972400641X

初审：袁湛楠

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军