蘇州納米所吳曉東團(tuán)隊(duì)合作Angew.?Chem.：揭示FEC在增強(qiáng)高性能室溫鈉硫電池中的多功能機(jī)制
傳統(tǒng)能源向清潔能源轉(zhuǎn)型，人工智能用電需求增長，推動儲能技術(shù)發(fā)展。室溫鈉硫（RT Na-S）電池基于硫的多電子轉(zhuǎn)移氧化還原反應(yīng)，理論能量密度高、成本低且環(huán)境友好，在大規(guī)模儲能方面具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，電池的實(shí)際應(yīng)用受到諸多挑戰(zhàn)，如陰極側(cè)活性物質(zhì)硫的電子導(dǎo)電性差、多硫化鈉的穿梭效應(yīng)以及鈉金屬陽極的高反應(yīng)性等。電解液工程提供了一種高效且直接的途徑，其能夠通過電解液的分解作用原位構(gòu)建起有效的電極-電解質(zhì)界面，確保RT Na-S電池的穩(wěn)定循環(huán)。其中，氟代碳酸乙烯酯（FEC）常用作室溫鈉硫電池電解液添加劑或共溶劑，然而目前對于FEC對RT Na-S電池電化學(xué)性能的關(guān)鍵影響機(jī)制尚不清楚，明確這一問題對于指導(dǎo)高性能RT Na-S電池的電解質(zhì)設(shè)計至關(guān)重要。
近日，中國科學(xué)院蘇州納米所吳曉東研究員與河海大學(xué)許晶晶教授、中國科學(xué)院物理研究所李泓研究員合作在國際知名期刊?Angwandte Chemie International Edition上發(fā)表題為Unraveling the Multifunctional Mechanism of Fluoroethylene Carbonate in Enhancing High-Performance Room-Temperature Sodium-Sulfur Batteries?的研究性論文。該團(tuán)隊(duì)通過各類原位/半原位表征，深入揭示了FEC改善室溫鈉硫電池界面穩(wěn)定性的關(guān)鍵作用機(jī)理。結(jié)果表明，FEC參與了陰極上的快速親核反應(yīng)和隨后的電化學(xué)分解，在陰極上通過兩步法原位形成獨(dú)特“巧克力餅干”形狀的陰極電解質(zhì)界面（CEI）層，包括無機(jī)NaF、Na2CO3和有機(jī)ROCO2Na復(fù)合成分。這種CEI層消除了穿梭效應(yīng)，并促進(jìn)了硫的固-固轉(zhuǎn)化。同時，鈉負(fù)極上形成的穩(wěn)定富氟固體電解質(zhì)界面相（SEI）進(jìn)一步提高了電池界面相容性。最終，該RT Na-S電池在0.5 C條件下經(jīng)過1000次循環(huán)后，仍能保持456 mAh g-1的容量，庫侖效率接近100%，顯著簡化了電解質(zhì)設(shè)計，并為FEC在實(shí)際鈉硫電池中的應(yīng)用提供了寶貴的見解。
圖1.?FEC溶劑改善室溫鈉硫電池性能的關(guān)鍵作用機(jī)理
圖2.?S@MRP||Na電池在首次充/放電過程中S陰極的電化學(xué)行為與形貌演變
圖3.?在首次放電至1.0 V時，不同電解液中S@MRP||Na電池陰極形成的CEI的微觀結(jié)構(gòu)和組成，以及Na2S6與PC或FEC的可能的反應(yīng)路徑
圖4. 在首次繼續(xù)放電至0.1 V時，不同電解液中S@MRP||Na電池陰極形成的CEI的微觀結(jié)構(gòu)和組成
圖5.不同電解液中S@MRP||Na電池的電化學(xué)性能
中科大碩士畢業(yè)生翁世笑為論文的第一作者，河海大學(xué)許晶晶教授與中國科學(xué)院蘇州納米所吳曉東研究員為論文的共同通訊作者。本工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金的項(xiàng)目支持，以及蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）的技術(shù)協(xié)助。
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