北化揭示醚、酯類電解質中固體電解質界面層差異及對儲鈉性能影響

2020-07-31 小材科研

近日，北京化工大學楊小平教授團隊、韓國成均館大學Ho Seok Park教授在Advanced Energy Materials (影響因子：25.245)上合作發表題為「Ionic-Conducting and Robust Multilayered Solid Electrolyte Interphases for Greatly Improved Rate and Cycling Capabilities of Sodium Ion Full Cells」的研究工作。該研究以鉍基合金化負極材料為研究對象，揭示了在醚類和酯類電解質中固體電解質界面層的顯著差異及其對儲鈉性能的影響。

北化揭示醚、酯類電解質中固體電解質界面層差異及對儲鈉性能影響

圖1. Bi/C負極材料在醚類電解質和酯類電解質中的儲鈉循環性能，形貌演變及阻抗分析

雖然合金化負極材料具有較高的理論比容量，但其充放電過程中較大的體積膨脹使得固體電解質界面層難以穩定，從而造成電解液的持續分解並降低電池的循環壽命。對負極材料進行納米化及碳包覆是目前主要的研究方向。具有精細納米結構的負極材料可以減緩其在充放電過程中的體積膨脹並在一定程度上穩定固體電解質界面層。然而，其較高的製備成本和較低的振實密度使其難以在高負載時或器件中依然保持良好的性能，從而使其商業化應用難以實現。因此，如何從固體電解質界面層本身出發，通過調控其微觀結構和組分使其自身在充放電過程中保持穩定，是一個重要且有意義的研究方向。

北化揭示醚、酯類電解質中固體電解質界面層差異及對儲鈉性能影響

圖2. 固體電解質界面層微觀結構及組分分析

本工作揭示了Bi/C負極材料在醚類電解質中可以實現快速的鈉離子存儲動力學並保持結構完整性。該優異性能得益於表面具有高離子電導的聚醚有機層，及內部富含緻密無機層的多層固體電解質界面。此外，得益於固體電解質界面原位生成且連續這一特點， Bi/C負極可以在高負載量 (11 mg cm-2) 時依然保持和低負載量時幾乎相同的質量比容量，從而實現較高的面積比容量 (3.3 mAh cm-2)。使用該體系匹配Na3V2(PO4)3正極時，所得全電池能量密度可達162 Wh kg-1。這項工作揭示了固體電解質界面層微觀結構和組分對合金化負極材料的重要影響，為之後高性能合金化負極材料開發提供了理論指導。

該論文第一作者為北京化工大學、成均館大學聯合培養博士生原浩成，材料學院於運花教授、蘭金叻副教授和成均館大學Ho Seok Park為本文共同通訊作者，第一完成單位為北京化工大學有機無機複合材料國家重點實驗室。本研究工作得到了中國國家自然科學基金、韓國國家科研基金(NRF)、中央高校基本科研業務費及北京化工大學博士研究生中外聯合培養項目的支持。

來源：北京化工大學

全文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202001418

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