ACS Mater. Lett. | 鈉離子電池電極/電解液界面的調控策略與展望

2021-02-18 ACS美國化學會

英文原題：Manipulating Electrode/Electrolyte Interphases of Sodium-Ion Batteries: Strategies and Perspectives

通訊作者：殷雅俠，郭玉國，中國科學院化學研究所

作者：Enhui Wang (王恩慧), Yubin Niu (牛玉斌), Ya-Xia Yin (殷雅俠), Yu-Guo Guo (郭玉國)

鈉離子電池體系的「電極-電解液」界面對Na+傳輸具有關鍵的承接作用，對規模儲能電池體系所需的高能量密度和長循環穩定性有著舉足輕重的作用。然而，相對於大量研究的電極材料而言，當前人們對於構建穩定、高效的鈉離子電池「電極-電解液」界面的重視程度遠遠不夠，對鈉離子電池界面基礎理解和調控策略的研究還處於初期階段。

近日，中國科學院化學研究所郭玉國研究員團隊從鈉離子電池「電極-電解液」界面的基本理解、電解液母體調節和電極自身因素等方面，對當前鈉離子電池界面調控的研究進展和前沿問題進行了梳理與展望(圖1)，相關論文以「Manipulating Electrode/Electrolyte Interphases of Sodium-Ion Batteries: Strategies and Perspectives」為題發表在ACS Materials Letters上。

圖1. 鈉離子電池界面層的基礎理解、調控策略與展望

論文從鈉離子電池「電極-電解液」界面的基礎視角出發，對界面相主體本身的初始形成機制、化學成分與結構、生長演變過程和離子傳輸行為等方面進行了系統闡述與介紹。首先，熱力學驅動力解釋了界面相生成的根源、作用及其與電極電解液之間的關聯性。其次，分別從計算模擬和實驗手段兩方面闡述了鈉離子電池界面相形成的機制，包括電解液陰陽離子在電極表面的特殊吸附行為和Na+溶劑化行為。考慮到界面相形成所涉及的界面反應非常複雜，作者詳細討論了界面成分、結構及動態演變等方面的諸多前沿挑戰，例如關鍵化學成分的鑑定及其作用機制、不同化學成分形成次序及其在界面中的排布方式、外層有機成分的溶解穩定性等；這些關鍵問題影響著界面性質和功能，對於構建穩定、高效的界面層具有決定性作用。最後，對於在動力學上起主導作用的界面Na+傳輸行為，從Na+去溶劑化過程和界面成分結晶態兩個方面進行了綜述。

界面相主體的形成離不開母體電解液和承載電極兩個方面。作者總結了電解液母體的調控策略，包括溶劑和電解質鹽的選擇與組合、濃度效應、添加劑功效評估等方面，對人們在調節界面膜組成與分布、緩解界面問題等方面做出的努力進行了闡述，並對相應的界面化學反應機制進行了討論。鑑於所選電極表面特徵對界面形成的潛在影響，論文進一步討論並展望了從碳負極、正極到全電池構建過程中所面臨的界面問題。

最後，為獲得穩定的鈉離子電池界面，作者提出人們還需要深入理解眾多關鍵基礎科學問題，並據此開展相關基礎研究：(1)全面理解鈉離子電池界面層本質。需要進一步加深對界面形成機制、動態演變過程和離子傳輸行為的認識與理解。藉助於先進的原位表徵手段，揭示界面層中化學組分及其分布形式，為改善界面層的電化學/熱穩定性、溶解穩定性和離子傳輸性能提供科學參考。(2)界面化學和電解液化學的調控。基於溶劑、電解質鹽和濃度的三維特徵，深入理解溶劑、電解質陰離子和Na+之間在分子層面的微觀相互作用，開發設計具有意想不到功能的新型電解液。此外，鈉離子電池的界面行為或許並不完全遵從鋰離子電池的規則，因此鈉離子電池的界面化學和電解液化學可能需要探索新的方式。(3)電極表面性質的影響。探究電極表面環境，如表面微孔結構/官能團、電極反應活性、過渡金屬還原或溶解等，對電極-電解液界面相形成和生長的影響方式。通過以上電極-電解質方面研究工作的不斷深入，期待進一步推動鈉離子電池體系性能的不斷提升。

掃描二維碼閱讀英文原文

ACS Materials Lett. 2021, 3, XXX, 18–41

Publication Date: November 27, 2020

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00356

Copyright © 2020 American Chemical Society

相關焦點

  • 設計300Wh/kg以上電池的經驗分享|電極|鋰離子電池|電池|能量密度
    電池系統的鋰一般是過量的，εn/εp通常被認為是1，然而Li-S電池中k值偏低，這是因為硫的低電導率不允許高的載量，而且由於多硫化鋰積累過多，電池容量很快就會衰減。作者發現當χ≤1.5，Cp≥800和k≥0.25時，Li-S電池能量密度可以達到300 Wh kg-1，注意Li-S電池中k值的增加相比LIBs，更加具有挑戰性，因為在大多數Li-S電池中使用的電解液是LIBs的2-3倍。
  • 中南《ACS nano》:石墨烯助力增強快速儲鈉性能
    基於能帶理論，對不同界面結構與倍率性能之間的關係進行了深入分析，加深了人們對活性材料與炭材料之間的異質結結構的認識，為後續的電極材料的研究設計提供了理論指導。鈉離子電池（SIBs）憑藉更低的成本，儼然成為最有希望替代鋰離子電池的新型儲能設備。
  • 中科院和代爾夫特理工大學開發新方法 預測鈉離子電池原子結構
    據外媒報導，中國科學院和代爾夫特理工大學(TU Delft)的研究人員開發出一種預測鈉離子電池原子結構的方法，這在世界上尚屬首次，將大大推進鈉離子電池研究。該類電池將成為僅次於鋰離子電池的重要技術。然而，商業上過於依賴一種電池也有不足之處，例如生產鋰離子電池時，必須使用鈷。但是，全球鈷資源有限，而且開採條件惡劣，對環境產生嚴重影響。德爾夫特大學的研究人員Marnix Wagemaker表示：「如果將來我們都轉向電動出行，我們也需要大量的鋰。」實際上鋰儲量也是有限的。研究人員相信鈉離子電池富有發展潛力。理論上來說，鈉離子電池的性能不如鋰離子電池，但差距並不大。
  • 300Wh/kg高比能鋰離子電池應該如何設計
    為了儘可能地提升電動汽車的續航裡程，人們對於動力電池的能量密度的追求也在不斷的提升。動力電池能量密度的提升是一個複雜的系統性工程，不僅僅依賴於高容量正負極材料的開發，還依賴於正負極材料的搭配，電解液的選擇，以及結構設計等一些列工作。
  • 北理工《AM》:精巧設計,大幅提升鈉離子電池性能!
    編輯推薦：本文通過對材料的微觀結構精心設計，巧妙地在二硫化鎢納米棒上複合硫化鋅以形成硫空位和異質結結構，大幅提高了材料在鈉離子電池（SIBs）中的離子擴散能力，從而在極大電流密度下也表現出較高的容量和循環穩定性。該研究為後續鈉離子電池電極材料的研發提供了良好的設計思路。
  • 鈉離子電池出爐!比三元鋰更耐用,500次充放電不損耗容量
    近期，一個來自倫敦的研發團隊成功研發了經過500次充放電而不損失電池容量的鈉離子電池，該團隊成功研發的鈉離子電池或將解決三元鋰電池的不穩定和價格高的問題。除倫敦的研發團隊外，美國華盛頓州立大學也對鈉離子電池展開了相關研究，攻克了阻止鈉離子流動的鈉晶體堆積問題。
  • 什麼是「全固體電池」?——5分鐘圖解搞定
    答 以鋰離子2次電池為代表的「搖擺電池(Rocking chair battery)」中，電解液和電極之間不發生化學反應（氧化還原反應），所以從原理上來說不需要電解液。答 固體電解質的研究雖然已有20多年，但是一隻未能找到超過電解液的「鋰離子順暢通道」，直到2011年以後才取得了多個重大進展。
  • 從正負極材料和電解液解析鋰電池低溫性能改善
    2 表面包覆表面包覆如碳包覆、金屬包覆不但能夠避免負極與電解液的直接接觸，改善電解液與負極的相容性，同時可以增加石墨的導電性，提供更多的嵌入鋰位點，使不可逆容量降低。另外，軟碳或硬碳材料的層間距比石墨大，在負極上包覆一層軟碳或硬碳材料有利於鋰離子的擴散，降低SEI膜阻抗，從而提高電池的低溫性能。
  • 如何設計適應60℃高溫環境的鋰離子電池?
    在上一篇文章中我們介紹了在-40℃下鋰離子電池電性能衰降的主要原因，以及提升鋰離子電池低溫性能的策略和方法（詳見連結：今天我們繼續來介紹在60℃高溫條件下鋰離子電池性能衰降的主要因素和應對方法。高溫會提升鋰離子電池的動力學特性，從而對鋰離子電池的倍率性能產生積極的影響，但是高溫也會加劇電極界面副反應。
  • 鋰離子電池熱失控原因及對策研究進展
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】導讀本文主要從電解質和電極的高溫穩定性方面介紹了鋰離子電池熱不穩定性產生原因及其機制，闡明了現有商用鋰離子電池體系在高溫時的不足，提出開發高溫電解質、正負極修飾以及外部電池管理等來設計高安全型鋰離子電池。
  • 電動汽車動力電池知識
    動力電池分類一     燃料蓄電池 燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的裝置，他的正極是氧電極,負極是氫或碳氫化合物或乙醇等燃料電極。催化劑在正極催化氧的還原反應，從外電路向氧電極反應部位傳導電子；在負極催化燃料的氧化反應，從反應部位向外電路傳導電子；電解液輸送燃料電極和氧電極反應產生的離子，並且阻止電子的傳遞。電子通過外電路作功，並形成電的迴路。只要燃料和氧不斷地從裝置外部供給電池，就有放電產物不斷地從裝置向外排出（氫氧燃料電池）。二 　 鎳鎘蓄電池
  • 高比能量鋰離子電池矽基負極材料的研究進展
    其失效機制如圖3所示, 由於脫嵌鋰過程中矽體積的持續變化, 暴露在電解液中新的矽表面SEI膜厚度持續增加, 最終導致界面阻抗升高。研究表明, 亞穩態矽鋰合金及矽與電解液發生化學反應, 造成鋰離子的消耗, 增加了鋰離子的擴散距離, 阻礙鋰離子的順利脫嵌, 最終造成矽基負極材料容量的損耗。
  • 陽離子束縛的可流動聚合物界面可實現金屬鋰的穩定沉積
    陽離子束縛的可流動聚合物界面可實現金屬鋰的穩定沉積 作者：小柯機器人 發布時間：2020/12/17 15:56:22 美國史丹福大學鮑哲南等研究人員合作發現
  • Advanced Materials:新型高性能鋰硫電池正極材料——有機檸檬-硫
    目前，基於鎳和鈷氧化物正極材料的比容量低（小於250 mAh g-1）, 同時鎳和鈷資源緊缺，環境毒性較大，因此傳統的商業化鋰離子電池存在能量密度低、成本高和環境毒性大等缺點
  • 鋰離子電池交流阻抗圖譜詳細解讀
    鋰離子電池內部的反應過程主要由電子傳遞、Li+在電解液內擴散、Li+在電極表面發生電荷交換，Li+在正負極活性物質內部擴散等過程構成，不同過程對於電流和電壓變化的響應速度不同，我們稱之為弛豫時間。對稱結構電池扣式電池中不僅包含被測試電極，還包含鋰金屬對電極，因此扣式電池的交流阻抗中還會有一部分反應金屬鋰對電極特性的過程，因此作者採用兩片金屬Li組成對稱結構電池分析Li金屬電極的反應過程。
  • 歐陽明高:動力電池熱失控的觸發機理及主動安全防控的研究進展
    電池充電析鋰與快充控制近期發生的充電事故的分析表明，主要是不當快速充電或過充引發電池析鋰，導致熱失控溫度大幅度下降，從219℃下降到107℃，並與電解液劇烈反應，導致電池在107℃發生熱失控。上述模型會隨著電池的衰減，形成誤差，模擬結果可能不一定準確。所以，我們在此基礎上開發新型的參比電極，直接反饋負極電位，傳統參比電極壽命極短，我們開發了新型的參比電極，壽命超過5個月，並且還在繼續優化，希望參比電極的使用壽命儘可能延長，真正做到能夠作為傳感器使用。
  • 華東師大《Science》子刊:一種化學防腐策略!提升金屬電極穩定性
    長壽命倒置鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)面臨的一大挑戰是，常用的金屬電極與鈣鈦礦層發生反應，導致電極腐蝕和器件退化。近日，來自華東師範大學的Junfeng Fang等研究者，在金屬防腐理念的啟發下，提出了一種化學防腐策略，通過在銅電極沉積前引入苯並三唑(BTA)的典型有機緩蝕劑來製備穩定的倒置PSCs。
  • 中金公司:全面剖析新能源電解液環節競爭堡壘
    電解液中長期核心壁壘看保供應能力電解液環節配方與產能帶來的壁壘相對有限電解液是動力電池四大材料之一，六氟磷酸鋰又為電解液的核心。圖表: 電解液產業鏈資料來源：天賜材料，中金公司研究部電解液目前佔動力電池成本的7％，是國產供應佔比最高的四大材料。四大材料中，電解液2018年中國供應佔全球需求比重已經達到61％，大部分海外電池企業在中國的工廠中較早已經使用了本土企業供應的電解液。