蘇州納米所吳曉東團隊許晶晶等合作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(相對于SHE - 2.71V)的特點,使其極具潛力應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致的枝晶生長,高活性Na金屬陽極與電解質(zhì)之間的界面副反應引起的電解質(zhì)分解并產(chǎn)生易燃氣體,從而引發(fā)泄漏和燃燒,造成重大的安全隱患。
為了解決上述問題,中國科學院蘇州納米所吳曉東研究員/許晶晶項目研究員聯(lián)合中國科學院物理所/天目湖先進儲能技術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窗口,并且含有豐富的陰離子可以與Na+陽離子配合形成陰離子包裹的溶劑化結構、有助于在陽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+的溶劑化結構,且具有比其他氟醚更高的沸點(141 ℃)和閃點(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、提高離子導電率,而且能夠保證電解液的高安全性和寬溫性能(圖1)。
當TILE應用在Na-Na中時,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1400小時)。將循環(huán)后的電池拆解,也可以觀測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)。通過進一步的XPS分析,可以看出Na金屬表面富含無機NaF成分,可以認為是以FSI-/TFSI-陰離子為主導衍生的SEI,其在保證高離子電導的同時,防止了電極與電解液的界面副反應,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)異的長循環(huán)性能(5C下室溫穩(wěn)定循環(huán)超過2000圈,容量保持率95.5%,平均庫倫效率>99.9%)和高溫性能(60℃)。此外,測試了高壓正極(NaNFM||Na)的電化學性能,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用于鈉金屬電池提供了新的設計思路。
相關工作以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,中國科學院蘇州納米所許晶晶項目研究員、中國科學院物理所/天目湖先進儲能技術研究院鄭杰允高工和中國科學院蘇州納米所吳曉東研究員為通訊作者。相關工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金的資助。該工作得到了中國科學院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站(Nano-X)提供的測試幫助。

圖1. TILE的作用機理及物化性質(zhì)

圖2. 不同電解液Na||Na電池長循環(huán)性能及Na沉積形貌

圖3. Na金屬負極表面SEI組分及TILE成膜機理

圖4. NFM||Na及NVP||Na電池長循環(huán)及高低溫性能
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