AEM: 无氟共溶剂化学助力钠 - 硫化聚丙烯腈电池

文章总结

局部高浓度电解质（LHCE）在室温钠硫电池领域展现出巨大的应用潜力。然而，LHCE 体系中的大多数稀释剂是氟化醚，这类物质不仅密度大、价格昂贵，而且对金属钠的还原稳定性较差。本文介绍了一种低密度、不含氟的醚类电解质，该电解质表现出局部高浓度的特性。这一特性是由 1,2 - 二甲氧基丙烷（DMP）较弱的溶剂化能力以及环戊基甲基醚（CPME）极弱的溶剂化性质所驱动的。令人瞩目的是，不含氟的 CPME 共溶剂在电解质中充当了稀释剂的角色。因此，该电解质实现了以富阴离子物种为特征的定制化溶剂化结构，这有利于形成具有出色钠离子传输性能且稳定的富无机成分的固体电解质界面膜（SEI）。结果，在硫含量高的硫化聚丙烯腈（SPAN，SPAN 中硫含量大于 45%）负载量为 4.4 毫克每平方厘米（硫负载量为 2 毫克每平方厘米）以及较低的电解质与 SPAN 比例为 9 微升每毫克（E/SPAN = 9）的情况下，钠 - SPAN 电池在 C/5 倍率下循环 200 次后，展现出高达 530 毫安时每克硫的出色可逆比容量。这一性能超过了目前报道的大多数最先进的基于醚类电解质的钠 - SPAN 电池体系。因此，这项工作为设计经济高效、高性能的电解质提供了一种新方法，有望用于实现稳定且实用的钠 - SPAN 电池。

图文简介

a) MIX-CPME 电解质对穿梭效应的抑制作用以及其溶剂化结构的示意图。b) 各种溶剂的静电势（ESP）分布及其与钠离子的相应结合能。c) 环戊基甲基醚（CPME）的分子结构。d) 各种溶剂分子的最高占据分子轨道（HOMO）/ 最低未占据分子轨道（LUMO）能级。

电解质的性质及其溶剂化结构

钠 - 硫化聚丙烯腈（Na-SPAN）电池的电化学性能

钠金属负极在长期循环后的扫描电子显微镜（SEM）图像：a) 局部高浓度电解质 - 三 (2,2,2 - 三氟乙氧基) 磷腈（LHCE-TTE）体系的；b) MIX-CPME 体系的。使用不同电解质循环后的钠金属负极的 X 射线光电子能谱（XPS）数据：c、d) 氟（F）的 1s 能谱；e) 碳（C）的 1s 能谱。

论文信息

通讯作者： Arumugam Manthiram