南开大学严振华/陈军AEM: 低温下的能量奇迹：钠离子电池的温度自适应电解液

文章总结

研究背景：钠离子电池在低温储能领域潜力巨大，但传统碳酸酯基电解液在低温下的相变和缓慢的钠离子迁移，阻碍了其应用。目前改善电解液低温性能的方法存在诸多问题，设计具有温度适应性的电解液溶剂化结构至关重要。

实验设计：将 1,3 - 二氧戊环（DOL）添加到 0.5M NaPF₆二甘醇二甲醚（G2）电解液中，构建低温自适应电解液，形成阴离子增强、溶剂弱化的溶剂化结构。

实验结论

电解液溶剂化结构和物理性质：在室温下，DOL 与 G2 的偶极 - 偶极相互作用减弱了 G2 中氧的电负性，降低了 Na-O（G2）的配位，增加了阴离子配位。0.5M NaPF₆ G2/DOL 电解液熔点低至 - 91°C，低温下离子电导率更高且受温度影响小。

电解液低温适应性：随着温度降低，0.5M NaPF₆ G2/DOL 中 G2 配位显著减少，阴离子配位增加，形成富阴离子溶剂化结构，降低了钠离子去溶剂化能，加快了去溶剂化速度。

硬碳电极界面化学和电化学极化：0.5M NaPF₆ G2/DOL 电解液的富阴离子溶剂化结构能有效抑制溶剂分解，促进在硬碳阳极表面形成均匀连续、富含无机成分的固体电解质界面（SEI）膜。该电解液能降低硬碳电极的电压极化，提升其在低温下的比容量、倍率性能和循环稳定性。

全电池电化学性能：0.5M NaPF₆ G2/DOL 电解液与 Na₃V₂(PO₄)₃正极材料兼容性良好，能提升其倍率性能和低温性能。使用该电解液的软包全电池在 - 30°C 循环 100 次后容量保持率达 92.43%。

电解液普适性：G2/DOL 衍生电解液普遍存在温度适应性的溶剂化结构，能促进钠离子去溶剂化和低温下离子传输，使硬碳在低温下保持较高容量和良好循环稳定性。

研究展望：这种低温自适应电解液为设计低温钠离子电池提供了新途径，有助于拓宽其在极寒地区储能的应用范围。

图文简介

具有低温自适应溶剂化结构的电解质的作用机制示意图

（a）、（b）通过分子动力学模拟得到的两种电解质在‒50℃时钠离子溶剂化构型的径向分布函数（RDF）。（c）两种电解质在‒50℃时不同组分的配位数（CN）。（d）两种电解质在‒50℃与 25℃相比，不同组分的配位数差值（ΔCN）。（e）、（f）0.5 M NaPF₆ G2/DOL 在 25℃、‒25℃和‒50℃时的拉曼光谱和 ¹H 核磁共振谱。（g）、（h）0.5 M NaPF₆ G2 和 0.5 M NaPF₆ G2/DOL 中 Na||Na 电池在 20℃至‒50℃的奈奎斯特图。（i）由奈奎斯特图得出的钠离子去溶剂化活化能。

a) 25℃下，使用 0.5 M NaPF₆ - G2 和 0.5 M NaPF₆ - G2/DOL 电解液的全电池的倍率性能。(b - c) 25℃和 - 40℃下，使用 0.5 M NaPF₆ - G2/DOL 电解液的全电池的充放电曲线及循环稳定性。(d) 使用 0.5 M NaPF₆ - G2/DOL 电解液的软包单体电池示意图。(e) 25℃和 - 30℃下，该软包电池的循环稳定性。

论文信息

通讯作者：Zhenhua Yan, Jun Chen