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第1394期(总第1394期) 2021-12-31 本期4版   合订本   报刊导读   小程序   更多期次  
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我校教师在钠离子电池醚类电解液领域取得重要进展

近日,我校吴兴隆教授课题组在钠离子电池高电压可工作的醚类电解液研究方向上取得重要进展。该研究对电解液溶剂化结构进行合理设计,开发了一种高度配位的钠离子电池醚类电解液,实现了磷酸盐正极(Na3V2(PO4)2O2F,Advanced Materials 2017,29,1701968)在4.5V高电压内的稳定性。该电解液体系也表现出优异的碳负极兼容性,与石墨和硬碳负极匹配组装的全电池,均表现了优异的倍率性能和循环稳定性。该成果以“Ether-based electrolyte chemistry to-wards high-voltage and long-life Na-ion full batter-ies”(面向高电压长寿命钠离子全电池的醚类电解液化学)为题,发表于国际著名期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。化学学院/紫外光发射材料与技术教育部重点实验室的吴兴隆教授为论文的唯一通讯作者,物理学院博士生梁皓杰为论文第一作者。合作研究者包括来自我校化学学院和物理学院的多名研究生,以及河南师范大学和青岛科技大学的青年学者。

钠离子电池作为下一代的可充电电池,具有资源丰富、与锂离子电池工作原理相似的优点,受到越来越多的关注和研究。在电池体系中,电解液作为不可或缺的一部分,对电池性能起着关键的影响作用。根据溶剂的不同,电解液通常分为酯类和醚类两大类。在钠离子电池中,酯类电解液得到了不断的完善和应用(比如,使用FEC添加剂等)。相比之下,醚类溶剂的易氧化性(醚类溶剂HOMO能级较高),使得醚类电解液通常只局限于负极材料半电池的基础研究(对各种负极材料都具有良好的兼容性,尤其对于硬碳材料和石墨材料),其应用于正极材料方面的研究是一个巨大的挑战。因此,开发抗氧化能力强的高电压可工作的醚类电解液,是该类电解液体系获得实用化的关键一步。虽然醚类溶剂本质上易氧化,如下图的理论计算分析可知,其与钠离子的溶剂化作用(溶剂化能)相比于酯类溶剂更强。所以选择合适的钠盐及相应的盐/溶剂配位组成,减少游离溶剂分子的存在,是提高醚基电解液氧化稳定性的有效策略(图1)。

图1所开发高电压醚类电解液的表征结果

通过DOL添加剂,实现了理想的钠盐与醚类溶剂的摩尔比(1:2)。研究表明,配制的醚类电解液中,溶剂分子与钠离子保持着紧密的配位模式(钠离子与溶剂分子中的氧原子形成六配位结构),极大地抑制了醚类溶剂的分解(图1)。同时,阴离子分解形成富含无机物的CEI膜,也可以同步地提升电解液的氧化稳定电压窗口。分别与石墨负极和硬碳负极匹配,组装的钠离子全电池,表现出优异的电池性能,证明了该醚类电解液优异的适用性,为后续大量正负极材料应用于钠电全电池提供了更多样化的电解液选择(图2)。

图2所开发高电压醚类电解液用于磷酸盐基钠离子电池的测试结果

该工作得到国家自然科学基金重大研究计划(91963118)项目资助。

(图文由物理学院2020级博士研究生 梁皓杰、化学学院 吴兴隆 教授供稿)


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