Small Methods:电解液溶剂化结构调控实现稳定钠金属负极

钠金属电池因其低廉的成本、较高的能量密度,受到广泛关注。并且钠金属与锂金属相比储量丰富,同时具有较低的氧化还原电极电位(-2.71 V vs. SHE)和较高的理论比容量(1166 mAh g-1)等优点。然而,目前钠金属负极仍面临诸多挑战,其中最突出的问题是钠枝晶生长以及严重的副反应。在电池循环过程中,一方面钠金属极易形成树枝状的“枝晶”结构,从而导致电池内部短路甚至爆炸,带来严重的安全隐患;另一方面,形成的钠枝晶具有很高的比表面积,引起严重的副反应导致库伦效率持续降低。因此,实现稳定的钠金属负极是发展钠金属电池面临的首要问题。

近期,中国科学技术大学焦淑红课题组,通过调控醚类溶剂中不同电解液的溶剂化结构,采用四氟硼酸钠(NaBF4)/二乙二醇二甲醚(G2)电解液体系,有效地提升了钠金属负极的稳定性,获得极高的库仑效率(99.93%)和超长的循环寿命。研究发现,在NaBF4/G2电解液体系中,钠金属负极的表面能够形成一层致密且力学性能优异的固体电解质界面层(SEI)。X射线光电子能谱(XPS)表明,G2在钠金属表面被还原形成有机聚合物,可以有效提高SEI膜的柔韧性,同时BF4的还原产物NaF和B-O提供了较高的杨氏模量,使得SEI膜具有较好的机械强度。这种由有机聚合物、NaF和B-O物种构成的SEI膜具有“刚柔并济”的特点,能够有效地地缓解钠金属负极在循环过程中巨大的体积变化,避免钠金属枝晶的形成,从而很好地稳定了钠金属负极。扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)的结果显示,在NaBF4/G2电解液中循环后,钠金属表面非常平整,没有明显的枝晶和SEI膜的破裂现象等。进一步的电化学测试结果表明,使用NaBF4/G2电解液的Na||Cu半电池可以稳定循环400圈,平均库仑效率高达99.93%;同时,NVP||Na全电池在该电解液中表现出了优异的循环稳定性, 800个充放电循环后电池的容量保持率为82%。因此,该研究工作不仅成功地实现了钠金属电池的超高库伦效率(99.93%)和超长稳定循环,积极推动了钠金属电池的实用化进程;同时,该工作提出的利用调控电解液溶剂化结构实现稳定钠金属负极的策略也为其他金属负极(Li,K,Zn等)的保护工作提供了新的研究思路。相关论文“Stable Sodium Metal Batteries via Manipulation of Electrolyte Solvation Structure”在线发表于Small Methods上(DOI: 10.1002/smtd.201900856)。文章第一作者为中国科学技术大学化学与材料科学学院的博士生王世洋。