中大阎兴斌团队在用于高电压钠离子电池的醚类电解液领域获新进展

采用超低浓度（≤0.3 M）醚类电解液的高电压钠离子电池体系，不仅能够维持其高倍率性能和高能量密度特性，还可显著拓宽电池的适用温度范围，同时有效降低电极材料成本，从而为钠离子电池的广泛应用提供了新的解决方案。然而，盐浓度降低会促使钠盐在溶剂中充分解离，导致电解液中溶剂分离的中性离子对和游离的溶剂分子成为主要存在形式。这使得电极-电解液界面主要由溶剂分解产生的有机成分所主导。值得注意的是，这些成分往往是多孔的，且在有机电解液（特别是高电压条件下）中表现出较高的溶解倾向而不稳定。尽管学术界对超低浓度电解液中的界面问题存在普遍担忧，但迄今为止，鲜有研究能够应对这一挑战并提供切实可行的解决方案。考虑到界面在高电压下对电池性能（尤其是循环稳定性）的重要影响，如何在超低浓度的醚类电解液体系中构建稳固的正极电解液界面，从而实现高电压钠离子电池的长循环稳定性，仍是当前亟待解决的重要科学问题。

为解决这一问题，中山大学材料科学与工程学院阎兴斌教授团队通过在基础电解液（0.3 MNaPF6-G2）中加入痕量的NaBF4（0.03 M），优化了钠离子的溶剂化结构，从而使高电压Na3(VOPO4)2F正极不仅表现出高倍率特性（20 C），同时在1 C倍率下循环2000圈容量保持率为89.1%。相比之下，采用基础电解液的Na3(VOPO4)2F正极仅循环600圈后容量就衰减殆尽。研究表明，循环性能的显著改善得益于Na+和BF4-之间较强的相互作用，这不仅削弱了Na+和G2之间的离子偶极相互作用，同时也强化了Na+和PF6-的相互作用，促使更多的阴离子进入溶剂化鞘。这种优化的溶剂化结构诱导形成了更均匀、含有更多的无机物、更稳定的正极电解液界面，从而有效缓解了其在高电压下的溶解。这项工作为超低浓度电解液的科学设计及其在高电压钠离子电池中的长效应用提供了有价值的理论指导和实践启示。

图1. 不同低浓度的醚基电解液体系的物化特性和电化学性能

图2. 痕量NaBF4对超低浓度电解液0.3 M NaPF6-G2的调控作用机理

相关工作以“Trace NaBF4Modulated Ultralow-Concentration Ether Electrolyte for Durable High-Voltage Sodium-Ion Batteries”为题发表在Advanced Functional Materials期刊，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和广东省科学院科技发展项目的支持。

来源：中山大学

论文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202422491