蘇州納米所吳曉東團(tuán)隊(duì)許晶晶等合作AFM:弱極性醚輔助離子液體電解液助力寬溫高安全鈉金屬電池
鈉金屬電池(SMBs)具有低成本、高理論比容量(1166 mAh g-1)和低氧化還原電位(相對(duì)于SHE - 2.71V)的特點(diǎn),使其極具潛力應(yīng)用于下一代二次電池。然而,SMBs面臨著一系列挑戰(zhàn),包括由于Na沉積行為不均勻而導(dǎo)致的枝晶生長(zhǎng),高活性Na金屬陽(yáng)極與電解質(zhì)之間的界面副反應(yīng)引起的電解質(zhì)分解并產(chǎn)生易燃?xì)怏w,從而引發(fā)泄漏和燃燒,造成重大的安全隱患。
為了解決上述問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所吳曉東研究員/許晶晶項(xiàng)目研究員聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院物理所/天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院鄭杰允高工等以雙三氟甲基磺酰亞胺鈉(NaTFSI)鹽和1-甲基-1-丙基吡咯烷鎓雙(氟磺酰)亞胺([Py13][FSI])為溶劑,1,2-雙(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷(TFEE)為稀釋劑(NaTFSI:IL:TFEE=1:3:1(摩爾比)),制備了一種醚輔助的不易燃離子液體電解液(TILE)。其中,離子液體(IL)具有極低的揮發(fā)性、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、不可燃性和寬電化學(xué)窗口,并且含有豐富的陰離子可以與Na+陽(yáng)離子配合形成陰離子包裹的溶劑化結(jié)構(gòu)、有助于在陽(yáng)極表面形成陰離子衍生的SEI層。弱極性的氟醚溶劑TFEE不參與Na+的溶劑化結(jié)構(gòu),且具有比其他氟醚更高的沸點(diǎn)(141 ℃)和閃點(diǎn)(45 ℃)。因此在IL電解液中引入 TFEE后得到的TILE不僅能有效降低粘度、提高離子導(dǎo)電率,而且能夠保證電解液的高安全性和寬溫性能(圖1)。
當(dāng)TILE應(yīng)用在Na-Na中時(shí),其展現(xiàn)了較低的極化(~0.18V)和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(0.26 mA cm-2下穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)1400小時(shí))。將循環(huán)后的電池拆解,也可以觀(guān)測(cè)到光亮的鈉金屬表面,并且在掃描電鏡下也能夠看出均勻的Na沉積形貌(圖2)。通過(guò)進(jìn)一步的XPS分析,可以看出Na金屬表面富含無(wú)機(jī)NaF成分,可以認(rèn)為是以FSI-/TFSI-陰離子為主導(dǎo)衍生的SEI,其在保證高離子電導(dǎo)的同時(shí),防止了電極與電解液的界面副反應(yīng),并確保了穩(wěn)定均勻的鈉金屬沉積行為(圖3)。得益于此,NVP||Na電池展現(xiàn)了優(yōu)異的長(zhǎng)循環(huán)性能(5C下室溫穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)2000圈,容量保持率95.5%,平均庫(kù)倫效率>99.9%)和高溫性能(60℃)。此外,測(cè)試了高壓正極(NaNFM||Na)的電化學(xué)性能,其在室溫(25℃)-零下20℃均能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)(圖4)。本研究為高安全寬溫度的離子液體電解液應(yīng)用于鈉金屬電池提供了新的設(shè)計(jì)思路。
相關(guān)工作以Weakly Polar Ether-Aided Ionic Liquid Electrolyte Enables High-Performance Sodium Metal Batteries over Wide Temperature Range為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Advanced Functional Materials上。蘇州納米所博士研究生劉洋和魯蘇皖為論文共同第一作者,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所許晶晶項(xiàng)目研究員、中國(guó)科學(xué)院物理所/天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院鄭杰允高工和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所吳曉東研究員為通訊作者。相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。該工作得到了中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站(Nano-X)提供的測(cè)試幫助。

圖1. TILE的作用機(jī)理及物化性質(zhì)

圖2. 不同電解液Na||Na電池長(zhǎng)循環(huán)性能及Na沉積形貌

圖3. Na金屬負(fù)極表面SEI組分及TILE成膜機(jī)理

圖4. NFM||Na及NVP||Na電池長(zhǎng)循環(huán)及高低溫性能
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