能量密度145 Wh Kg−1的鈉離子軟包電池

研究背景鈉離子電池因鈉資源極高的豐度而成為大規(guī)模儲(chǔ)能電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而，傳統(tǒng)電解液中的電極界面不穩(wěn)定，降低了電池的循環(huán)壽命。層狀氧化物中的過(guò)渡金屬元素，如鎳和錳，可能會(huì)溶解到電解質(zhì)中并沉積在硬碳負(fù)極上，從而增加界面電阻。此外，對(duì)于負(fù)極而言，硬碳的Na+嵌入平臺(tái)僅為≈0.2V(vsNa+/Na)，因此當(dāng)電流密度高時(shí)，硬碳表面的鈉金屬電鍍迅速發(fā)生。而通常來(lái)講，鈉電池中的硬碳比表面積高于鋰電池中的石墨，這意味著更多的電解質(zhì)被還原為SEI，產(chǎn)生更多的氣體。因此，在正極和負(fù)極側(cè)同時(shí)構(gòu)建穩(wěn)定的電極-電解質(zhì)界面是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)鈉離子電池的關(guān)鍵。內(nèi)容簡(jiǎn)介鈉離子電池因其豐富的鈉資源而成為大規(guī)模儲(chǔ)能電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而，傳統(tǒng)電解液中的電極界面不穩(wěn)定，降低了電池的循環(huán)壽命。引入功能性電解質(zhì)添加劑可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電極界面。本工作引入五氟(苯氧基)環(huán)三磷腈(FPPN)作為功能電解質(zhì)添加劑，穩(wěn)定層狀氧化物正極和硬碳負(fù)極的界面。氟取代基和π-π共軛的─P=N─結(jié)構(gòu)分別降低了FPPN的最低未占據(jù)分子軌道和增加了FPPN的最高已占據(jù)分子軌道，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了FPPN在負(fù)極和正極上的優(yōu)先還原和氧化，從而形成了均勻、超薄、富無(wú)機(jī)的固體電解質(zhì)中間層和正極電解質(zhì)中間相。組裝了容量為5Ah的鈉離子軟包電池，以評(píng)估FPPN的效果。經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)后，它可以保持4.46Ah的高容量，對(duì)應(yīng)于每圈0.01%的低衰減率。軟包電池還實(shí)現(xiàn)了145Whkg-1的高能量密度和-20-60℃的寬工作溫度。文章亮點(diǎn)1.本工作引入五氟(苯氧基)環(huán)三磷腈(FPPN)作為功能電解質(zhì)添加劑，F(xiàn)PPN添加劑同時(shí)提高了CEI和SEI中NaF的含量，從而有效地抑制了電極與電解液之間的寄生反應(yīng)，穩(wěn)定了層狀氧化物正極和硬碳負(fù)極的界面;2.組裝的容量為5Ah的鈉離子軟包電池，經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)后，它可以保持4.46Ah的高容量，對(duì)應(yīng)于每圈0.01%的低衰減率。軟包電池還實(shí)現(xiàn)了145Whkg-1的高能量密度和-20-60℃的寬工作溫度；3.本研究的發(fā)現(xiàn)為合理調(diào)控Ah級(jí)軟包電池的CEI和SEI，彌合界面化學(xué)和電化學(xué)性能之間的差距提供了有意義的指導(dǎo)。主要內(nèi)容圖1.FPPN電解質(zhì)穩(wěn)定CEI和SEI的示意圖.圖2.不同分子和離子團(tuán)的理論計(jì)算。a)HOMO和LUMO能級(jí)；b)EC,PC,FEC,DEC,FPPN的ESP；c)Na+-EC、Na+-PC、Na+-FEC、Na+-DEC和Na+-FPPN的結(jié)合能差和d)電子密度差。圖3.

標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)的分子動(dòng)力學(xué)模擬:a)快照；b)徑向分布函數(shù)；c)配位數(shù)；FPPN電解質(zhì)的分子動(dòng)力學(xué)模擬d)快照；e)徑向分布函數(shù)；f)配位數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)和FPPN電解質(zhì)的g)離子電導(dǎo)率和h,i)線性掃描伏安法。圖4.

使用標(biāo)準(zhǔn)和FPPN電解質(zhì)的軟包電池a)倍率性能和b、c)充放電曲線；d)0.5C下軟包電池的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試e)60℃高溫下的循環(huán)穩(wěn)定性；f)?20℃低溫下的放電對(duì)比；g)第1、第50、第100、第150和第200次循環(huán)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)和FPPN電解質(zhì)的軟包電池超聲圖像。圖5.

a)原始和在b)標(biāo)準(zhǔn)和c)FPPN電解質(zhì)中循環(huán)后，NNFMO正極的TEM圖像；NNFMO電極在d)標(biāo)準(zhǔn)和e)FPPN電解質(zhì)中的XPS光譜。圖6.

具有標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)的電池循環(huán)時(shí)的a)充放電曲線；b)原位XRD結(jié)果；具有FPPN電解質(zhì)的電池循環(huán)時(shí)的c)充放電曲線；b)原位XRD結(jié)果。圖7.

a)原始和在b)標(biāo)準(zhǔn)和c)FPPN電解質(zhì)中循環(huán)后的HC負(fù)極TEM圖像；d)標(biāo)準(zhǔn)和e)FPPN電解質(zhì)中HC電極的XPS光譜。結(jié)論本工作提出了一種雙功能電解質(zhì)添加劑FPPN來(lái)穩(wěn)定5Ah鈉離子軟包電池的CEI和SEI。FPPN添加劑同時(shí)提高了CEI和SEI中NaF的含量。因此，有效地抑制了電極和電解質(zhì)之間的寄生反應(yīng)。具有2wt%FPPN的5AhNNFMO/HC軟包電池實(shí)現(xiàn)了145Whkg?1的高能量密度和穩(wěn)定的循環(huán)，在0.5C下循環(huán)1000次后保持4.46Ah，大大超過(guò)了循環(huán)260次后4.43Ah的標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)。具有2wt%FPPN