Advanced Energy Materials:通过醚类电解液实现钠离子有机电池超长循环寿命

对清洁可持续能源需求的逐步扩大推动了社会对高性能,低价且环境友好的能源存储设备的探索。相较于资源有限的锂离子电池,钠离子电池由于丰富且低价的钠资源而备受关注。然后由于钠离子半径较大,导致无机材料在脱钠/嵌钠过程中产生较大体积改变,进而导致性能下降。而有机材料具有弱分子间相互作用以及灵活的分子结构,使他们对离子尺寸不敏感,并且它们还具有结构可调,环境友好等诸多优势。尽管一些有机材料实现了高容量,但是它们仍因为溶解问题遭受不佳的循环稳定性。目前,已有多种策略解决有机电极材料的溶解问题,比如有机物与不溶物复合,聚合,成盐等。但对有机电极而言,即便是解决有机物的溶解问题,实现优异的电化学性能仍然具有挑战性。

近日,天津大学许运华课题组报道了通过调控电解液及界面的策略提升不溶性有机正极材料的电化学性能。该团队通过醚类电解液调控N,N’-双(甘氨酸)萘二酰亚胺钠 (Na2BNDI)的界面,构筑稳定且富含无机成分的SEI膜,保证了快速的电荷传输动力学并实现了70000圈的长循环寿命,这是目前钠离子电池有机正极材料循环寿命的一项新纪录!

图1. (a) Na2BNDI的合成;(b) Na2BNDI与NTCDA的红外图;(c) Na2BNDI的扫描图;(d)和(e) Na2BNDI在DEGDME以及EC/DEC中浸泡5天的紫外图。
图2. Na2BNDI在DEGMDE以及EC/DEC电解液中的电化学性能:(a)和(b) 0.05 mV/s扫速下的CV曲线;(c)和(d) 1.3 V-3.3 V范围的充放电曲线;(e)和(f) 倍率性能以及1C的循环性能;(g) 在DEGDME电解液中10C电路密度下的长循环。
图3. Na2BNDI在DEGDME和EC/DEC电解液中的动力学: (a)和(b) 不同扫描速率下的CV曲线; (c)不同扫描速率下阳极和阴极峰(A和B)之间的电位极化; (d)通过GITT计算Na+的扩散系数; (e)循环过程中阻抗变化。
图4. Na2BNDI在(a-c) DEGDME和(e-g) EC/DEC电解液中不同循环后的SEM图; Na2BNDI在(d) DEGDME和(h) EC/DEC电解液中循环50次后的TEM图。

 

图5. 原始Na2BNDI电极的(a) C1s, (b) O1s和(c) F1s的高分辨率XPS谱图,以及电极在DEGDME和EC/DEC电解液中循环50次后120 s蚀刻前后的XPS谱图。

 

图6. 溶剂和盐的HOMO和LUMO能级:(a) DEGDME电解液中的PF6和DEGDME (b) EC/DEC电解质中的PF6、EC和DEC; (c) DEGDME和(d) EC/DEC电解液的SEI形成和分解示意图。

 

总之,我们报道了一种有效的电解液策略来调控有机电极上的SEI膜。 由于电解液中的盐先于溶剂分解,在醚基电解质中构建了一层坚固且薄的无机丰富的SEI层,从而保证了快速的动力学以及稳定的循环性能。 不溶性的有机正极材料Na2BNDI,在10C的高倍率下,循环次数达到70000次,容量保持率为57.3%,超过了以往报道的所有钠离子有机正极材料的电化学性能。 该项研究结果强调了电解液的选择以及界面的调控对实现高性能钠有机电池的重要性。  

论文信息:

Ultralong Cycle Life Organic Cathode Enabled by Ether-Based Electrolytes for Sodium-Ion Batteries

Yuqing Wang, Panxing Bai, Benfang Li, Chen Zhao, Zifeng Chen, Mengjie Li, Hai Su, Jixing Yang, Yunhua Xu*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101972

原文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202101972