中科院大連化物所在鈉離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展。

近日，大連化物所儲能技術(shù)研究部李先鋒研究員、鄭瓊研究員團(tuán)隊和中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所藺洪振研究員團(tuán)隊合作，在鈉離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展 。

鈉離子電池因資源豐富、安全性高在新型儲能領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。磷酸鹽基鈉離子電池是適用于儲能應(yīng)用的高穩(wěn)定性、高安全性鈉離子電池優(yōu)選技術(shù)。其中，三氟磷酸釩鈉(Na3V2(PO4)2F3,NVPF3)具有高的理論比能量(約507Wh/kg，與磷酸鐵鋰相當(dāng))，是實現(xiàn)高比能鈉離子電池的優(yōu)選正極材料之一。但NVPF3基鈉離子電池循環(huán)穩(wěn)定性較差，限制了其實用化。

當(dāng)前，研究者們對引起NVPF3基鈉離子電池容量衰減的作用機(jī)制存在爭議，主要包括晶胞中釩溶出和氟損失，以及電解液在高電壓下的氧化分解等。針對此，本工作中，團(tuán)隊首先證實了NVPF3基鈉離子電池在4.2V(vs. Na/Na+)高電位下充放電持續(xù)時間較長，引起電解液在高電壓下發(fā)生持續(xù)氧化分解，是導(dǎo)致容量衰減的根本原因。

為了提高NVPF3基鈉離子電池的高壓穩(wěn)定性，團(tuán)隊設(shè)計了一類含雙-C≡N極性基團(tuán)添加劑的二腈類電解液體系，通過和頻共振光譜、原位電化學(xué)表面增強(qiáng)拉曼等表征方法和理論計算相結(jié)合。一方面，團(tuán)隊揭示了添加劑中-C≡N基團(tuán)與溶劑(-CH2/-CH3)之間形成分子間氫鍵，使得另一個-C≡N基團(tuán)更易進(jìn)入溶劑鞘內(nèi)層，降低溶劑配位數(shù)，從而減少了溶劑與正極界面接觸進(jìn)而發(fā)生氧化分解的作用機(jī)制，同時分子間氫鍵會降低電解液LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)能級，從而提高電解液的抗氧化性。

另一方面，團(tuán)隊揭示了基于-C≡N基團(tuán)修飾的溶劑化結(jié)構(gòu)中，位于溶劑化鞘外層的-C≡N基團(tuán)在NVPF3界面上與溶劑發(fā)生競爭性優(yōu)先吸附并自犧牲氧化分解，構(gòu)建富含CN-/NCO-/Na3N組分的高穩(wěn)定性正極-電解液界面的作用機(jī)制。含有單個-C≡N基團(tuán)的單腈添加劑在參與溶劑化結(jié)構(gòu)之后，難以保持在界面上的競爭吸附優(yōu)勢。基于雙-C≡N基團(tuán)添加劑對鈉離子溶劑化結(jié)構(gòu)和正極界面的協(xié)同調(diào)控與優(yōu)化，NVPF3基鈉離子電池在2至4.3V(vs. Na/Na+)電壓范圍內(nèi)循環(huán)穩(wěn)定性獲得顯著提升，1C下循環(huán)1000圈后容量保持率超過95%，較常規(guī)電解液提升了60%以上。上述工作為高比能量高穩(wěn)定鈉離子電池開發(fā)及推進(jìn)其實用化提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。