【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鈉離子電池作為一種新興的儲能技術(shù)，因其豐富的鈉資源儲備和低廉的成本在低速電動車和大規(guī)模儲能領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。此外，鈉離子較小的斯托克斯半徑使其在低溫和快充領(lǐng)域表現(xiàn)突出。近期，西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院唐偉教授團隊在鈉離子電池性能提升及電解液配方的創(chuàng)新、電極材料的優(yōu)化、預(yù)鈉化技術(shù)的探究取得了系列創(chuàng)新成果，為推動這一技術(shù)在未來能源轉(zhuǎn)型中的應(yīng)用提供了重要技術(shù)支撐。
 

　　艱難的去溶劑化過程是可充電電池中有機電解質(zhì)面臨的主要挑戰(zhàn)，尤其是在低溫條件下。盡管傳統(tǒng)方法是使用在溶劑化結(jié)構(gòu)中有高度陰離子參與的電解質(zhì)，即弱溶劑化電解質(zhì)(WSEs)，但這些電解質(zhì)的溶劑化結(jié)構(gòu)極易受到溫度波動的影響，這可能會削弱其低溫性能。為了解決這一局限性，該研究團隊設(shè)計了一種創(chuàng)新的電解質(zhì)，利用溶劑分子之間的相互作用，有效地融合了強溶劑和弱溶劑，使其溶劑化結(jié)構(gòu)具有陰離子參與且能夠抵御溫度波動的影響。該研究從溶劑-溶劑相互作用出發(fā)，為寬溫域電解液的設(shè)計提供了一種新的視角。
 

　　該研究成果以《溶劑相互作用實現(xiàn)的溫度穩(wěn)健性溶劑化用于低溫鈉金屬電池》(Temperature-Robust Solvation Enabled by Solvent Interactions for Low-Temperature Sodium Metal Batteries)為題發(fā)表于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會志》(Journal of the American Chemical Society，影響因子14.5)上。西安交通大學(xué)為該論文第一通訊單位，化工學(xué)院博士研究生黃振鑫為該論文第一作者，西安交通大學(xué)化工學(xué)院唐偉教授、四川大學(xué)張千玉教授、東南大學(xué)吳宇平教授為通訊作者。
 

　　此外，鈉離子電池負極側(cè)固有的低首效這一問題也掣肘在大規(guī)模儲能以及消費電子等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。研究團隊基于通過調(diào)節(jié)粘合劑官能團誘導(dǎo)SEI形成的策略，率先提出使用更具成本效益的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)部分替代聚偏氟乙烯(PVDF)的復(fù)合粘結(jié)劑一工藝路線，將C=O(羰基)鍵均勻地植入硬碳表面，以滿足粘合要求并實現(xiàn)界面功能化重建。C=O鍵的引入優(yōu)化了硬碳的內(nèi)在微觀局部電荷分布，增強了可逆Na+吸附。合理的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)有利于電解質(zhì)鹽的優(yōu)先分解，促進富含無機成分的穩(wěn)定SEI的形成，改善了界面處Na+的傳輸動力學(xué)。
 

　　該研究成果以《合理的粘合劑調(diào)制改善硬碳負極儲鈉性能》(Ameliorating the sodium storage performance of hard carbon anode through rational modulation of binder)為題發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《儲能材料》 (Energy Storage Materials，影響因子18.9)上。西安交通大學(xué)為該論文第一通訊單位，化工學(xué)院博士研究生張海涵為該論文第一作者，西安交通大學(xué)化工學(xué)院唐偉教授、舒程勇副教授、東南大學(xué)吳宇平教授為通訊作者。
 

　　另外，針對于鈉離子電池負極低首效的科學(xué)問題，該研究團隊還聚焦于鈉離子電池預(yù)鈉化技術(shù)，重點總結(jié)和討論了幾種關(guān)鍵的鈉離子電池預(yù)鈉化策略，以及預(yù)鈉化的必要性和意義。同時也提出了目前該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，并概述了預(yù)鈉化技術(shù)的未來研究方向。與預(yù)鋰化技術(shù)類似，預(yù)鈉化技術(shù)被認為是補償SIBs在初始循環(huán)中活性鈉損失最直接、最有效的方法之一。在這種情況下，通過化學(xué)/電化學(xué)方法向正/負極材料中預(yù)先注入額外的鈉離子，以提高電池的壽命和能量密度。
 

　　該研究成果以《鈉離子電池預(yù)鈉化策略的研究進展和展望》(Research Progress and Perspectives on Pre-Sodiation Strategies for Sodium-Ion Batteries)為題發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials，影響因子18.5)上。西安交通大學(xué)為該論文第一通訊單位，化工學(xué)院碩士研究生林斯源為該論文第一作者，西安交通大學(xué)化工學(xué)院唐偉教授、舒程勇副教授、中國石油天然氣集團公司管材研究所趙宇鑫高級專家以及東南大學(xué)吳宇平教授為通訊作者。
 

　　總之，該研究團隊通過溶劑分子間的相互作用設(shè)計了一種新的電解質(zhì)，使鈉電池的工作溫度范圍拓寬至-40-45 ℃，并且在低溫下具有優(yōu)異的快充性能。通過粘合劑的合理調(diào)制研究，為硬碳負極與電解質(zhì)之間界面的功能化設(shè)計提供新穎見解，改善首效的同時實現(xiàn)成本降低。通過總結(jié)鈉離子電池預(yù)鈉化技術(shù)最新研究進展，回顧了目前已報道的各類預(yù)鈉化技術(shù)的優(yōu)缺點，并為未來實現(xiàn)該技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用提供了一些新的指導(dǎo)。以上工作得到國家重點研發(fā)計劃、基金委項目以及軍工項目的支持，西安交通大學(xué)大型儀器設(shè)備共享實驗中心提供的相關(guān)表征、分析支持。