醚類電解液推進鈉離子電池發展的新機遇和挑戰

最新 08-01

【前言部分】

面向低成本大規模儲能系統的鈉離子電池，近年來在科研界和產業界發展迅速。前期研究主要聚焦在研發新型電極材料上，相比而言在電解液方面的關注和突破較少。事實上，立足於完整的鈉離子電池體系，新型電極的電化學性能發揮，離不開電解液的優化與匹配。醚類電解液作為一種常用的有機系電解液，由於其可以獨特地激發鈉離子和溶劑分子在石墨中的共插層反應、改良負極材料的固態電解質界面（SEI）並減小電化學極化，逐漸顛覆了醚類電解液不適用於傳統離子電池中的認知，相關研究正得到越來越廣泛的關注。但事實上，相比醚類電解液在鋰硫或者鋰空氣電池中的系統研究，醚類電解液在鈉離子電池體系的研究仍處於初步階段，需要更多的基礎科學理解及實用化推進。最近，天津大學楊全紅教授、清華大學呂偉副教授和新南威爾士大學王大偉博士合作系統梳理了醚類電解液在鋰離子電池中的發展歷程，並深度剖析了醚類電解液在鈉離子電池中新穎的電化學特性及相關研究進展。最後，還對醚類電解液在鈉離子電池中的未來發展機遇、挑戰以及實用化發展路線進行了展望。該文章發表在國際頂級期刊（先進能源材料）Advanced Energy Materials上（影響因子：21.875）。

【核心內容】

醚類電解液在鋰離子電池的研究初始，是被用來調節鋰離子沉積形貌從而抑制鋰枝晶的大量生成。但隨著鋰金屬負極循環圈數的增加，枝晶問題仍然會嚴重凸顯並造成電池短路。隨著諸如碳材料等其他潛力負極材料的研發，酯類電解液相比醚類電解液更優異的負極鈍化和保護能力，使得酯類電解液逐步替代醚類電解液成為鋰離子電池研究的首選有機電解液。而醚類電解液較差的高壓穩定性（

醚類電解液在鈉離子電池中的研究興趣起源於高度可逆的石墨共插層反應，解決了石墨在酯類電解液中電化學活性極低的難題。之後，醚類電解液又被證明相比酯類電解液，可以在鈉金屬和高比表面積碳材料電極上構築有效的固態電解質界面(SEI)，顯著提升電化學反應效率及穩定性。同時，醚類電解液還被證明在諸如金屬、金屬硫化物和金屬氧化物等潛在負極體系中具有顯著改善電化學性能的作用。此外，多種無機正極材料也被發現可以良好地和醚類電解液匹配，從而與上述負極一起良好地構建鈉離子全電池原型，並展現出優異的綜合性能。最後，類似於鋰硫和鋰空氣電池，鈉硫和鈉空氣電池體系也更適合利用醚類電解液。

雖然醚類電解液在鈉離子電池中取得一系列重要的研究進展，但必須要清醒的認識到，相關研究仍然處於初級階段，機遇和挑戰並存，必須更好地理解和解決如下問題：（1）醚類電解液中醚類溶劑分解形成SEI的電化學過程及組分對於電化學性能的影響；（2）碳負極及非碳負極SEI的原位生成過程及其微觀結構和組分的系統表徵；（3）採取多種措施提高醚類電解液高電壓的穩定性；（4）醚類電解液中添加劑等對於電化學性能的影響和分析。

有效地就上述問題進行研究和突破，將更好地推進醚類電解液在鈉離子電池中的科學研究和實用化進程，激發更多激動人心的科學發現和實際應用。相關文章發表在Advanced Energy Materials上（Adv. Energy Mater.,DOI: 10.1002/aenm.201801361）。第一作者是清華大學清華-伯克利深圳學院博士生張俊。

【核心示意圖—醚類電解液在鈉基二次電池中的應用示意圖】