近日，大連化物所儲能技術(shù)研究部李先鋒研究員、鄭瓊研究員團隊和中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所藺洪振研究員團隊合作，在鈉離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展。
鈉離子電池因資源豐富、安全性高在新型儲能領(lǐng)域應用前景廣闊。磷酸鹽基鈉離子電池是適用于儲能應用的高穩定性、高安全性鈉離子電池優(yōu)選技術(shù)。其中，三氟磷酸釩鈉（Na3V2(PO4)2F3,NVPF3）具有高的理論比能量（約507Wh/kg，與磷酸鐵鋰相當），是實(shí)現高比能鈉離子電池的優(yōu)選正極材料之一。但NVPF3基鈉離子電池循環(huán)穩定性較差，限制了其實(shí)用化。
當前，研究者們對引起NVPF3基鈉離子電池容量衰減的作用機制存在爭議，主要包括晶胞中釩溶出和氟損失，以及電解液在高電壓下的氧化分解等。針對此，本工作中，團隊首先證實(shí)了NVPF3基鈉離子電池在4.2V（vs. Na/Na+）高電位下充放電持續時(shí)間較長(cháng)，引起電解液在高電壓下發(fā)生持續氧化分解，是導致容量衰減的根本原因。
為了提高NVPF3基鈉離子電池的高壓穩定性，團隊設計了一類(lèi)含雙-C≡N極性基團添加劑的二腈類(lèi)電解液體系，通過(guò)和頻共振光譜、原位電化學(xué)表面增強拉曼等表征方法和理論計算相結合。一方面，團隊揭示了添加劑中-C≡N基團與溶劑（-CH2/-CH3）之間形成分子間氫鍵，使得另一個(gè)-C≡N基團更易進(jìn)入溶劑鞘內層，降低溶劑配位數，從而減少了溶劑與正極界面接觸進(jìn)而發(fā)生氧化分解的作用機制，同時(shí)分子間氫鍵會(huì )降低電解液LUMO（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）能級，從而提高電解液的抗氧化性。
另一方面，團隊揭示了基于-C≡N基團修飾的溶劑化結構中，位于溶劑化鞘外層的-C≡N基團在NVPF3界面上與溶劑發(fā)生競爭性?xún)?yōu)先吸附并自犧牲氧化分解，構建富含CN-/NCO-/Na3N組分的高穩定性正極-電解液界面的作用機制。含有單個(gè)-C≡N基團的單腈添加劑在參與溶劑化結構之后，難以保持在界面上的競爭吸附優(yōu)勢。基于雙-C≡N基團添加劑對鈉離子溶劑化結構和正極界面的協(xié)同調控與優(yōu)化，NVPF3基鈉離子電池在2至4.3V（vs. Na/Na+）電壓范圍內循環(huán)穩定性獲得顯著(zhù)提升，1C下循環(huán)1000圈后容量保持率超過(guò)95%，較常規電解液提升了60%以上。上述工作為高比能量高穩定鈉離子電池開(kāi)發(fā)及推進(jìn)其實(shí)用化提供了理論基礎和技術(shù)支撐。
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