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

2021-01-14 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

  • ACS編輯良擇 | Triquinoxalinylene的鈉離子儲存機理與電極穩定性的提高策略
    Zhao (趙修松)有機鈉離子電池作為目前鋰離子電池的潛在替代者，由於成本低廉與對環境友好的特點獲得了越來越多研究者的青睞。比容量低和循環穩定性差是有機鈉離子電池所面臨的兩大主要挑戰。有機小分子TQA作為電極材料，因其中高密度的吡啶氮可作為鹼性陽離子存儲活性位點而具有較高的理論容量，然而其快速的容量衰減限制了它在有機電池當中的應用。
  • 進展|一種高容量鈉離子電池層狀氧化物模型材料
    為了進一步發展具有高容量和長循環性能的鈉離子電池正極材料，開發高鎳O3-NaTMO2正極材料有望成為解決這一問題的有效策略。目前鋰離子電池NCM（鎳鈷錳）材料體系中的Ni含量已經可以提高到80%以上，無鈷高鎳正極也是目前鋰離子電池的重要攻堅方向，但是進一步降低Co元素的含量遇到了很大的技術瓶頸，這也限制了其材料成本的進一步下降。
  • 進展 | 低鹽濃度電解液再降鈉離子電池成本
    電解液是儲能電池不可或缺的重要組成部分，而調控電解液濃度是實現其功能化設計的有效策略之一。近年來，高鹽濃度電解液因其特殊的體相與界面特性被廣泛用於金屬鋰電池、水系電池等（本課題組曾於2013年首次提出「Solvent-in-Salt」電解液用於金屬鋰電池，Nature Communications2013, 4, 1481，引用1224次）。
  • 進展|低鹽濃度電解液再降鈉離子電池成本
    電解液是儲能電池不可或缺的重要組成部分，而調控電解液濃度是實現其功能化設計的有效策略之一。近年來，高鹽濃度電解液因其特殊的體相與界面特性被廣泛用於金屬鋰電池、水系電池等（本課題組曾於2013年首次提出「Solvent-in-Salt」電解液用於金屬鋰電池，Nature Communications2013, 4, 1481，引用1224次）。但與此相反，降低鹽濃度可能會帶來濃差極化，所以目前實際鋰電池應用大多集中於標準的1 M濃度，從而使得低鹽濃度電解液一直沒有得到系統的研究。
  • 北航：異質結結構對鈉離子電池負極的巨大提升作用
    導讀：本文通過構建金屬硫化物/硒化物異質結結構，大幅提高了電極在鈉離子電池中的電化學性能。通過第一性原理計算，對於電化學反應過程中的界面上的協同效應進行了分析證明。該研究為後續鈉離子負極材料異質結結構的研究設計提供了借鑑和指導。
  • 最新進展:低鹽濃度電解液再降鈉離子電池成本
    電解液是儲能電池不可或缺的重要組成部分，而調控電解液濃度是實現其功能化設計的有效策略之一。近年來，高鹽濃度電解液因其特殊的體相與界面特性被廣泛用於金屬鋰電池、水系電池等（本課題組曾於2013年首次提出「Solvent-in-Salt」電解液用於金屬鋰電池，Nature Communications2013, 4, 1481，引用1224次）。
  • 黃維院士團隊原位界面調控助力高效無電子傳輸層鈣鈦礦太陽能電池
    近期，西北工業大學柔性電子前沿科學中心（西安柔性電子研究院）首席科學家黃維院士團隊陳永華教授課題組在原位界面調控助力高效無電子傳輸層鈣鈦礦太陽能電池方面取得了新進展，研究成果以「In Situ Interface Engineering for Highly Efficient Electron-Transport-Layer-Free Perovskite
  • 北京大學潘鋒教授課題組在鋰電池、鈉離子電池等 研究領域取得系列...
    固態電池界面工程的典型策略和理論解釋 在下一代電池體系中的應用中，鹼金屬負極被認為是下一代電池理想的電極材料，因為他們有一個完美匹配高比容量的硫和氧氣正極。
  • 低鹽濃度電解液基鈉離子電池研究取得進展
    電解液是儲能電池重要組成部分，調控電解液濃度是實現其功能化設計的有效策略之一。近年來，高鹽濃度電解液因特殊的體相與界面特性被廣泛用於金屬鋰電池、水系電池等。但與此相反，降低鹽濃度可能會帶來濃差極化，所以目前實際鋰電池應用大多集中於標準的1 M濃度，低鹽濃度電解液一直沒有得到系統的研究。
  • Mater. : 正極補鈉技術助力高性能鈉離子全電池
    目前鈉離子電池中使用的硬碳負極普遍存在首圈庫倫效率較低的問題，在電池循環過程中碳負極會消耗正極材料中有限的鈉以形成固態電解質界面（SEI）膜。正極材料中鈉的不可逆消耗很大程度上降低了鈉離子電池的能量密度和循環穩定性，這一問題已成為制約鈉離子電池發展的瓶頸之一。研究發現通過正極鈉補償可有效解決鈉離子電池中鈉不可逆消耗的問題，而且這一策略在工程化生產中也易於實施。
  • 《ACS Energy Letters》:超穩定的全固態鈉離子可充電電池
    相關論文以題為「Ultrastable All-Solid-State Sodium Rechargeable Batteries」發表在ACS Energy Letters。論文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01432本文採用固相法在O2氣氛中1250℃下製備了Na3.2+2xZr2-xZnxSi2.2P0.8O12 (x=0，0.05，0.1，0.15，0.3，0.4；簡寫為Zn0，Zn0.05，Zn0.1
  • 高比能、長壽命的柔性固態鈉離子電池問世
    相比於鋰元素，鈉元素在地殼中的儲藏量十分豐富，獲得鈉元素的方法也十分簡單，其開採費用僅為鋰的1%；鈉離子電池的充電時間可以縮短到鋰離子電池的1/5；鈉離子電池無過放電特性，允許放電到零伏；由於鈉鹽特性，允許使用低濃度電解液（同樣濃度電解液，鈉鹽電導率高於鋰電解液20%左右）降低成本；鈉離子不與鋁形成合金，負極可採用鋁箔作為集流體，可進一步降低成本8%左右，降低重量10%左右。
  • Small Methods:原位TEM動態觀測黑磷烯界面鈉離子傳輸及電化學反應
    本文通過原位透射電子顯微鏡技術，在納米尺度下首次觀測了黑磷烯電極接觸界面可逆的鈉離子傳輸行為並深入分析黑磷烯與鈉離子作用機制。 背景介紹 電池充放電時，電子遷移和離子擴散不可避免地發生在電極、電解液以及隔膜之間的各種界面上，進而引起電極材料的離子嵌脫和各種電化學反應。
  • 上海大學/西湖大學Nano Letters:富含有機硫化物的界面保護層用於穩定鈉金屬負極
    然而，鈉負極存在枝晶生長、與電解液發生嚴重的寄生反應等問題，嚴重阻礙了其實際應用。近日，上海大學Chao Wu，西湖大學文燎勇報導了一種在橡膠工業中被廣泛用作硫化促進劑的商用有機硫化合物（四甲基硫脲二硫化物，TMTD），其作為一種低負載量的添加劑，可以在長期循環中促進無枝晶鍍鈉/剝離。
  • 我國科學家研製低鹽濃度電解液基鈉離子電池
    電解液是儲能電池重要組成部分，調控電解液濃度是實現其功能化設計的有效策略之一。近年來，高鹽濃度電解液因特殊的體相與界面特性被廣泛用於金屬鋰電池、水系電池等。但與此相反，降低鹽濃度可能會帶來濃差極化，所以目前實際鋰電池應用大多集中於標準的1M濃度，低鹽濃度電解液一直沒有得到系統的研究。
  • 廈大在鈉離子電池層狀金屬氧化物正極材料空氣穩定性研究取得進展
    鈉離子電池由於鈉的地球儲量豐富、成本低廉及其獨有的電池安全特性等優勢，是未來風、光電等規模化儲能系統的重要候選者，因而對電池的循環壽命、功率特性及其材料的製造性能提出了很高的要求。儘管層狀鈉離子過渡金屬氧化物的體積能量密度較高，但其在充放電過程中材料結構相變可逆性差、電極/電解液界面不穩定以及空氣中暴露易發生化學變質等問題嚴重阻礙了其商業化的應用。
  • KAIST提出以硫化銅為電極材料 助推鈉離子電池商業化
    由於鈉的天然儲量高、成本低，而且化學性質與鋰相似，因此，鈉離子電池（SIBs）有望成為鋰離子電池的替代品。人們對SIB電池越來越感興趣，但是，由於缺乏合適的電極材料，SIB電池的商業化還遠末實現。據外媒報導，韓國高級科學技術研究院（KAIST）的研究人員提出新策略，以硫化銅為電極材料，延長鈉離子電池可循環性。
  • 中山大學朱昌寶團隊在水系鋅離子電池電解液添加劑開發研究獲進展
    水系鋅離子電池作為綠色可持續發展的儲能設備，在比容量、天然豐度、環境友好等方面極具優勢，被視為當前最有前景的低成本、高安全的儲能系統，近年來受到了廣泛的關注。與鋰金屬負極類似，鋅枝晶的形成和生長可能會導致循環壽命短、庫倫效率低、電池內部短路等嚴重問題，嚴重限制了鋅金屬負極的實際應用。
  • 鈉離子電池:從基礎研究到工程化探索
    通過對電極材料、電解液、製造和成組工藝以及電池管理等方面進行優化，有望進一步提升鈉離子電池的綜合性能，儘快實現在低速電動車、數據中心後備電源、通訊基站、家庭/工業儲能、大規模儲能等領域的應用。；鈉離子的溶劑化能比鋰離子更低，即具有更好的界面離子擴散能力；鈉離子的斯託克斯直徑比鋰離子的小，相同濃度的電解液具有比鋰鹽電解液更高的離子電導率，或者更低濃度電解液可以達到同樣離子電導率；根據目前初步的高低溫測試結果，鈉離子電池高低溫性能更優異；在所有安全項目測試中，均未發現起火現象，安全性能更好。
  • 《ACS Energy Lett》超穩定的全固態可充電鈉電池
    導讀：鈉超離子導體固態電解質以優異的熱穩定性和化學穩定性受到廣泛關注，但其離子電導率低、與正極材料之間界面阻抗過大等嚴重限制了其應用。本文利用不等價元素摻雜Na3Zr2Si2PO12材料，在電解質和正極材料界面引入中間層並組裝了全固態電池，獲得了超穩定的Na二次電池。