钠电硬炭负极在酯类和醚类电解液中倍率性能差异的影响因素

1成果简介

　　目前，钠离子电池主要采用酯类与醚类两类有机电解液。酯类电解液因其成本较低、与高压正极材料兼容性优异等优势，被广泛用于商业化钠离子电池。醚类电解液虽然耐高电压性差，但往往能表现出较为优异的动力学行为和容量性能。目前从炭材料结构角度思考硬炭在酯类与醚类电解液产生电化学性能差异原因的工作仍较为缺乏。

　　近日，中国科学院山西煤炭化学研究所苏方远研究员团队在《Electrochimica Acta》上发表研究论文。该研究从炭材料的角度揭示了钠离子电池硬炭负极在酯类和醚类电解液中电化学性能差异的原因。研究发现硬炭的表面缺陷和有序度会对SEI膜的生长产生重要影响，从而影响硬炭在不同电解液中的行为：表面有序且缺陷较少的沥青衍生硬炭在两种电解液中可形成结构与组分相似的SEI 膜，电化学性能差异远小于表面缺陷较多的椰壳和树脂衍生的硬炭材料。

2本文要点

要点一：选取三种不同前驱体衍生硬炭材料探究其在EC/DEC和Diglyme电解液中电化学性能差异

　　针对这一问题，研究团队选取以椰壳、树脂和沥青为前驱体的三种硬炭，系统考察了在EC/DEC和Diglyme电解液中电化学性能差异。研究揭示，沥青衍生硬炭在两种电解液中电化学性能差异最小，比容量差值和ICE差值分别为14.3 mAh g-1和0.06 %。椰壳衍生硬炭对应差值为16 mAh g-1和2.95 %，树脂衍生硬炭为21.1 mAh g-1和3.14 %。100 mA g-1电流密度下沥青衍生硬炭在两种电解液中的容量差值为63.76 mAh g-1，椰壳和树脂衍生硬炭的容量差值分别为82.49 mAh g-1和113.37 mAh g-1。

图1 、三种硬炭在EC/DEC和Diglyme电解液中电化学性能差异。

要点二：从界面角度探究电化学性能差异的原因

　　为探究差异不同的原因，三种硬碳分别做了电解液交换实验。结果显示沥青衍生硬炭在EC/DEC 和Diglyme电解液中的倍率性能差异主要来自于脱溶剂化过程，椰壳衍生硬炭的倍率性能差异主要来自于SEI膜，树脂衍生硬炭则受SEI膜和脱溶剂过程共同影响。进一步研究发现，沥青衍生硬炭在EC/DEC和Diglyme电解液中生成的SEI膜厚度和组分差异最小。主要表现为在两种电解液中形成的SEI膜无机组分和有机组分占比更接近，且SEI膜的厚度差异在2 nm之内。椰壳和树脂衍生硬炭在EC/DEC和Diglyme电解液中生成的SEI膜组分差异较大，且SEI膜厚度差异均大于2 nm。

图2 三种硬炭的电解液交换实验

图3 三种硬炭在EC/DEC和Diglyme电解液中形成的SEI膜

要点三：从炭材料角度探究电化学性能差异的原因

　　SEI膜的生长过程往往受硬炭表面结构的影响。XRD、Raman、TEM与AFM结果都表明沥青衍生硬炭表面缺陷最少、表面碳层排列最有序，树脂衍生硬炭表面粗糙度最高、表面最无序。DFT计算揭示有序的硬炭对溶剂分子的吸附能低于无序的硬炭，表明有序的表面能够减少与电解液的相互作用，从而最大程度地减少了副反应的发生。另外，表面更有序的硬炭对酯类和醚类溶剂的吸附能更接近，可调控两种电解液中SEI 膜生长趋于一致，证明有序的表面结构能够“中和”硬炭与酯类和醚类电解液之间的相互作用差异。证实了硬炭有序的表面结构使得其在EC/DEC和Diglyme电解液中形成组成与结构接近的SEI膜。

图4 三种硬炭的表面结构

3小结与展望

　　综上，本研究揭示了表面有序且缺陷少的钠离子电池硬炭负极材料在酯类和醚类电解液中会形成结构组分相似的SEI膜，这使得界面反应过程主要受到脱溶剂过程而非SEI膜扩散的影响，从而降低硬炭在酯类和醚类电解液中电化学性能的差异。本工作阐明了硬炭微观结构对其在酯类和醚类电解液中电化学性能差异的影响机理，为增强高性能钠离子电池硬炭负极和电解液匹配性提供了理论指导。

文献：

链接：
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2026.148113

文章标题：Uncovering Electrochemical Performance in Ester and Ether Electrolytes in Sodium-ion Batteries from Interfacial Perspective of Hard Carbon Anodes

第一作者：洪灿灿

通讯作者：陈景鹏，苏方远

单位：中国科学院山西煤炭化学研究所

来源：材料分析与应用