双阴离子聚集溶剂化工程策略在无机富集的界面中实现了竞争性诱导,从而制备出耐用型准固态钠金属电池

时间:2025年12月3日
来源:Energy Storage Materials

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钠金属电池通过双阴离子调节策略构建无机富集电极/电解液界面层,抑制枝晶生长并提升循环性能。摘要:采用NaDFOB/NaPF6双阴离子体系调控聚1,3-二氧戊环基准固态聚合物电解质(QSPE-FB)的溶剂化结构,减弱Na+溶剂相互作用并增强阴离子配位,降低脱溶剂能垒。实验与分子动力学模拟表明,该策略促使电极表面形成致密无机层(如Na3PO4),显著改善离子传输动力学,实现5C倍率下循环4000次容量保持率95.3%。分隔符:

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王秋军|贾晓萌|辛月伦|李兆进|孙慧兰|孙曲江|张迪|李冉冉|袁飞|王波|周东|范立珍
河北科技大学材料科学与工程学院柔性功能材料重点实验室,石家庄,050000,中国

摘要

钠金属电池(SMBs)由于其低成本和丰富的钠资源,已成为大规模储能的有希望的候选者。然而,它们的实际应用面临重大挑战,包括不稳定的电极/电解质界面(EEIs)和钠枝晶的生长,这严重限制了它们的性能和寿命。在这里,我们提出了一种双阴离子调节策略,在基于聚(1,3-二氧杂环己烷)PDOL的准固态聚合物电解质(QSPE-FB)中构建坚固的界面。分子动力学(MD)模拟和实验结果共同表明,引入竞争性阴离子(DFOB)通过削弱Na⁺-溶剂相互作用并促进阴离子配位,将主要溶剂化层重塑为以阴离子为主的配置,从而显著降低了脱溶剂化能垒。这种降低促进了电极表面富无机物的界面的形成,最终增强了离子传输动力学并抑制了枝晶的生长。因此,Na||QSPE-FB||Na3V2(PO4)3电池在5C电流下经过4000次循环后仍保持了95.3%的容量。这项工作通过阴离子配位设计了一种溶剂化工程策略,构建了自我优化的界面,以指导高性能钠金属电池的发展。

引言

鉴于低成本和丰富的钠资源,钠离子电池(SIBs)已成为电网规模储能应用的有希望的候选者[1]。其中,钠金属电池(SMBs)由于金属钠的超高理论容量(1166 mAh g−1)和低氧化还原电位(-2.71 V vs. SHE)而脱颖而出,这在实现高能量密度方面具有显著优势[2,3]。然而,SMBs仍然存在关键挑战,包括电极/电解质界面兼容性差、严重的电解质副反应以及不可控制的钠枝晶生长。这些技术瓶颈进一步加剧了液态电解质固有的安全问题,如泄漏、易燃性和挥发性,共同对高能量密度SMBs的实际应用构成了根本限制。
固态聚合物电解质(SPEs)由于其优异的加工性能和安全性而引起了广泛关注[4]。然而,它们的广泛应用仍受到两个内在限制的阻碍:室温下的离子导电性不足以及与刚性电极材料的界面接触不良。原位聚合技术实现了电解质与电极的无缝集成,显著降低了界面电阻,并建立了牢固的粘附力,解决了长期存在的固-固接触问题[5,6]。最近在原位聚合SPE系统方面的突破突显了它们的潜力[7,8]。例如,聚(1,3-二氧杂环己烷)(PDOL)电解质[[9], [10], [11]]由于其原位聚合能力实现了电解质与电极的无缝集成,并具有优异的室温离子导电性[12],已成为固态电池的研究焦点。突破包括催化聚合技术显著提高了DOL单体的转化率[13],支撑骨架设计有效增强了机械强度[14],以及复合电解质系统在高电压电池中实现了更长的循环稳定性[15]。目前对基于PDOL的钠金属电池的研究表明,残留的DOL单体在高电压阴极界面容易分解,这协同加剧了电极-电解质界面(EEIs)的失效。尽管一些研究,如引入氟乙烯碳酸酯(FEC)的研究,通过促进形成富NaF的钝化层并提高循环性能来改善了钠金属阳极的界面稳定性[16],但对高电压阴极侧降解机制的系统研究仍然相对有限。此外,添加剂如何通过调节电解质溶剂化结构来影响所得界面层的组成和机械性能的潜在结构-性能关系仍不完全清楚。因此,未来的研究迫切需要深入优化电解质组成,并结合创新的界面工程策略,共同提高基于PDOL的电解质的界面稳定性。
界面的不稳定性是限制基于PDOL的电解质长期循环性能的关键瓶颈。理想情况下,EEIs应表现出电子绝缘性,以促进选择性离子传输,同时必须对电解质保持不溶性和惰性,以防止电极和电解质之间的持续寄生反应[17]。传统的有机主导的EEIs在循环过程中会经历连续的断裂-重构循环和电解质分解,最终导致电解质耗尽、库仑效率(CE)低、容量不可逆损失和循环寿命缩短[18]。为了解决这些挑战,研究工作集中在各种策略上,包括溶剂化结构工程、添加剂设计[16,19]、复合阳极架构[20,21]和功能性隔膜修改[22,23],旨在重新配置EEIs的结构组成,促进它们从有机主导向富无机物的界面转变。在这些方法中,溶剂化结构调节已成为重建EEI化学的关键途径,因为它能够协同增强界面稳定性和动力学行为[24,25]。例如,NaBF4增强的醚基溶剂化[26]、NaNO3盐作为重构溶剂化环境的稀释剂[27],以及DOL稀释剂改性的醚基电解质[28]共同促进了富含阴离子的溶剂化结构,有利于优先进行阴离子分解。至关重要的是,这种由溶剂化驱动的EEI重构丰富了无机成分(如NaF [29]、Na3PO4 [30,31]),形成了紧凑的屏障,从动力学上抑制了枝晶的传播和电子隧穿。因此,通过精确的溶剂化控制从有机主导向富无机物的架构转变,是稳定高电压电池界面的关键范式。

结果与讨论

最近在基于PDOL的电解质系统中的进展主要使用了像NaTFSI和NaFSI这样的钠盐,尽管它们的溶解性较好,但成本较高。相比之下,更具成本效益的NaPF6 [32]在循环醚基DOL溶剂中的溶解性有限(见图S1)。如图S2所示,这种限制源于紧凑、高电荷密度的PF6阴离子与溶剂分子之间的弱溶剂化相互作用,再加上DOL的刚性环结构

结论

总之,通过原位聚合开发了一种经过NaDFOB界面改性的聚(1,3-二氧杂环己烷)(PDOL)准固态聚合物电解质(QSPE-FB)。这项工作展示了一种合理的双阴离子配位工程策略,通过协同的溶剂化结构调节在SMBs中构建梯度富无机物的界面。优化的双阴离子溶剂化结构使得PF6和DFOB在循环过程中依次分解,驱动了机械

CRediT作者贡献声明

王秋军:撰写 – 审稿与编辑。贾晓萌:撰写 – 初稿。辛月伦:研究。李兆进:可视化。孙慧兰:研究。孙曲江:概念化。张迪:形式分析。李冉冉:研究。袁飞:方法学。王波:资金获取。周东:撰写 – 审稿与编辑。范立珍:监督。

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