低鹽濃度電解液基鈉離子電池研究取得進展

2020-09-18 中科院之聲

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。鈉離子的Stokes半徑和脫溶劑化能均比鋰離子的要低，因此理論上採用較低的鈉鹽濃度也可實現足夠的動力學性能，從而使得超低鹽濃度電解液應用於鈉離子電池成為可能。考慮到鹽的成本通常是溶劑的十倍以上，減少鈉鹽使用可以有效降低鈉離子電池的成本，有利於鈉離子電池在儲能領域的大規模應用。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源重點實驗室博士生李鈺琦、楊佯在研究員胡勇勝、副研究員陸雅翔的指導下，將六氟磷酸鈉（NaPF6）溶解於碳酸乙烯酯（EC）和碳酸丙烯酯（PC），設計了一種可應用至鈉離子全電池的低鹽濃度電解液（0.3 M濃度）。得益於電解液的低粘度、低氫氟酸腐蝕以及形成的富含有機成分的固體電解質中間相等（對比1 M濃度），電池工作溫度窗口得到明顯的拓寬（-30至55℃）。中科海鈉科技有限責任公司研發團隊進一步研製了基於低鹽濃度電解液的Ah級電芯，3000周後容量保持率80%以上。

低鹽濃度電解液概念的提出為可充式電池在極端條件下穩定運行提供了新思路，未來低鹽濃度電解液概念有望擴展到其他的電解質體系及其他低成本儲能電池。相關成果以Ultralow-Concentration Electrolyte for Na-Ion Batteries為題，發表在ACS Energy Letters上。研究得到了國家傑出青年科學基金、中科院戰略性先導科技專項和長三角物理研究中心的支持。

低鹽濃度電解液基鈉離子全電池示意圖

預估的不同鹽濃度下電解液成本（假設鹽是溶劑價格的11倍，按最高值歸一化）

a：不同濃度電解液特性變化、分子/離子之間的相互作用以及界面膜成分的相關變化；b：NaPF6in EC/PC電解質在25℃和0℃下離子電導率和粘度的濃度相關性；c：在25℃以0.3 C（30 mA g-1）的電流密度使用不同濃度的電解液的循環穩定性

a、b：使用0.3 M和1 M電解液在0℃、25℃和55℃下電池的電化學性能。a：0.1 C首周充放電曲線，相關的首周庫侖效率在括號中註明；b：0.3 C的循環穩定性。c、d：帶有Ar+蝕刻的XPS測試分析電池以0.1 C倍率循環一圈後電極表面鈍化化學，分別為在負極界面膜和正極界面膜上檢測到的C（C 1s）+ O（O 1s）和P（P 2p）+ F（F 1s）元素的原子比

低鹽濃度電解液在鈉離子電池Ah級電芯中放大驗證

來源：中國科學院物理研究所

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