温州大学侴术雷Angew：阻燃、循环稳定、安全性高的钠离子电池

【研究背景】

开发集高能量密度、成本效益、环境友好和安全性于一体的储能系统仍然是人类面临的最大挑战之一。目前商用锂离子电池（LIBs）无法满足所有这些要求，因为如果用于大规模电网储能，会产生严重的安全隐患和成本问题。钠离子电池（SIBs）似乎是最具吸引力的策略，因为钠矿物资源几乎无限，在全球范围内分布均匀，成本远低于锂。然而，与锂离子电池类似，钠具有很高的化学活性，使用传统的碳酸盐基电解液是在滥用条件下造成重大安全危害的主要因素，如机械冲击、热冲击、过充电、短路等。然而，作为最终解决方案，使用不易燃电解液容易产生副作用，且其与电极的兼容性差，极易导致电池失效。

【成果简介】

温州大学侴术雷教授报告了一种非易燃电解液设计，以实现高性能的钠离子电池，它通过氢键调节电解液的溶剂化结构和优化电极-电解液界面来解决这一难题。报道的不可燃电解质允许磷酸钒钠@硬碳和普鲁士蓝@硬碳全包电池稳定充放电循环超过120次，容量保持率>85%和高循环库仑效率（99.7%）。该文章近日以题为“Fire-retardant, stable-cycling and high-safety sodium ion battery”发表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文导读】

图一、NaTFSI-TMP/BTFE/VC电解质的物理性质和电化学稳定性

（a-b）传统1 M NaPF6-EC/DEC电解液和1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE /VC电解液的易燃性测试。

（c）TMP、BTFE、TFSI^-和VC的前线分子轨道能级。

（d）在1.2 M NaTFSI TMP/BTFE/VC电解液中，以1.0 mA/cm²、2.0 mAh/cm²的速度恒电流电镀/剥离Na/Na对称电池。

（e）在扫描速率为0.1 mV s^-1的1.2 M NaTFSI TMP/BTFE/VC电解液中，NVP、PB和HC电极的CV以及1.2 M NaTFSI TMP/BTFE/VC电解液的电化学稳定性窗口。

（f-g）NVP||Na、PB||Na和HC||Na电池在1.2m NaTFSI TMP/BTFE/VC电解液中的长期循环稳定性试验。

（h）常规1M NaPF6 EC/DEC、高浓度3.1M NaTFSI TMP和稀释的1.2M NaTFSI TMP/BTFE/VC电解质的性能对比。

图二、软包电池的电化学性能

（a, c）NVP||HC 和 PB||HC 软包电池的初始充放电曲线。

（b, d）在0.1 C的速率下相应的循环性能。

（e）软包电池的尺寸。

（f）软包电池的可燃性测试。

（g）火焰烧毁电池的验尸解剖。

图三、循环NVP、PB和HC电极的验尸表面分析

（a-c）通过XPS对阴极100次循环和阳极20次循环后NVP、PB和HC上的CEI和SEI成分进行表征。

（d）在1 M NaPF6-EC/DEC和1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE/VC电解质中循环的三个电极的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。

（e-g）在1.2 M NaTFSI TMP/BTFE/VC电解液中，在不同Ar⁺溅射持续时间内，正极100次循环和负极20次循环后，NVP、PB和HC电极上的C 1s、O 1s、N 1s、F 1s、S 2p和Na 1s光谱的原子比例。

（h）在1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE/VC电解质中正极和负极上形成CEI和SEI的示意图。

图四、电解质溶剂化结构的实验和理论研究

（a）不同溶剂和电解质的天然丰度¹⁷O-NMR谱图。

（b-d）3.1 M NaTFSI-TMP电解质、1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE电解质和1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE/VC电解质的模拟电解质结构。

（e）从cMD模拟轨迹计算的3.1 M NaTFSI-TMP、1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE和1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE/VC电解质中Na⁺的径向分布函数。

（f）BTFE、TMP和VC的ESP对比。

（g）依次添加BTFE和VC的电解质结构变化示意图。

【全文总结】

综上所述，作者展示了一种通过添加少量添加剂来调节分子间氢键效应来优化电解质的溶剂化结构和中间相（CEI和SEI）组成的策略。因此，为钠离子电池开发了1.2 M NaTFSI TMP/BTFE/VC（0.53:1:1.5:0.15摩尔比）非易燃电解液。非易燃电解质与各种电极具有良好的相容性，循环库仑效率高、循环稳定性好。这种电解质可以同时稳定正极（NVP和PB）和负极（HC）的中间相，从而实现稳定的循环性能。为了证明电解质的实际应用，含有1.2 M NaTFSI-TMP/BTFE/VC电解质的NVP||HC和PB||HC软包电池显示出优异的循环稳定性和增强的安全性能。电解质设计具有极高的可用性和兼容性，可以扩展到不易燃或阻燃溶剂和碱性盐的各种组合，为安全和高性能可充电电池的开发提供了强劲的助力。

文献链接：Fire-retardant, stable-cycling and high-safety sodium ion battery(Angew. Chem. Int. Ed.2021, DOI: 10.1002/anie.202112382)

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