通讯单位：宁波大学，宁波工程学院 ，慕尼黑工业大学
论文DOI：10.1016/j.ensm.2024.103858
钠离子电池作为一种新兴的能源存储技术，因其钠资源的丰富性和成本低廉而备受关注。然而，相较于成熟的锂离子电池技术，钠离子电池在电极材料、电解质配方以及界面稳定性等方面仍面临诸多挑战。特别是在电解质的设计上，如何通过改善电极-电解质界面（EEIs）来提升钠离子的脱溶和嵌入行为，从而提高电池的整体性能，成为了研究的热点。传统的碳酸酯基电解质在钠离子电池中存在兼容性问题，尤其是在与硬碳（HC）负极材料搭配时，会形成不稳定和不均匀的固体电解质界面（SEI），导致电池的库仑效率（CE）降低和循环寿命缩短。目前研究者们开始探索高浓度电解质和局部高浓度电解质，以促进阴离子衍生和富含无机物的界面化学的形成，从而实现优异的电化学性能。但这些策略往往涉及到昂贵的锂盐或含氟稀释剂，这不仅增加了成本，也对环境造成了潜在的负担。
在这项研究中，研究团队通过在1 mol L–1 NaClO4/丙烯碳酸酯（PC）电解液中仅引入0.5 wt%的钠二氟草酸硼酸盐（NaDFOB）添加剂，成功构建了一个强健的富含无机物的EEIs。这种通过DFOB-阴离子优先吸附-分解机制形成的EEIs，有效地抑制了副反应，显著提升了钠离子半电池和全电池的循环性能。通过理论计算和实验结果，研究人员发现DFOB–阴离子在内赫姆霍尔兹平面（IHP）上的吸附能量低于其他组分，因此会优先吸附并首先分解形成富含无机物的界面层。这种策略不仅提高了电池性能，而且由于NaDFOB的电子富集特性，还有助于稳定钠金属和提升钠金属电池的电化学性能。
图1传统EDLs导致溶剂连续分解，形成富含有机物的EEIs，以及DFOB–诱导的EDLs促进形成阴离子衍生的富含无机物的EEIs。
图2 PC溶剂分子、ClO4–离子和DFOB–离子在钠金属、HC负极和NFM正极上的最优吸附结构，以及相应的吸附能量（Eads）。
图3 1 M NaClO4/PC电解液在有无NaDFOB添加剂时的溶剂化结构及各项物化性质。
图4 NFM正极在不同添加剂的1 M NaClO4/PC电解液中的循环性能，以及NFM||Na半电池在1 M NaClO4/PC+0.5wt% NaDFOB电解液中的倍率性能和长循环稳定性。
图5 HC||Na半电池在1 M NaClO4/PC+0.5 wt% NaDFOB电解液中的初始循环伏安曲线， HC||Na半电池在0.3 C时的充放电曲线，以及全电池的充放电性能。
这项研究通过引入少量电解液添加剂NaDFOB，通过DFOB-阴离子优先吸附在两电极上，并发生氧化-还原反应生成稳定的界面膜，不仅实现了对电极-电解质界面的有效调控，还显著提升了钠离子电池的循环稳定性和电化学性能。这一发现为开发长期循环的钠离子电池提供了一个可行的途径，同时也为未来钠离子电池的商业化和大规模应用奠定了坚实的基础。研究团队的这一成果，无疑将推动钠离子电池技术向更高效、更稳定、更环保的方向发展。
Qian Qiu, Tianle Zheng, Longqing Huang, Tonghui Xu, Lingchao Pan, Wei Sun, Haoran Tian, Wenjun Zhang*, Qian Yu, Yuxin Liang, Yingying Yan, Jinliang Yuan, Peter Müller-Buschbaum, Lan Xia*, Energy Storage Materials, 103858.
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103858
