鈉電硬炭負(fù)極在酯類和醚類電解液中倍率性能差異的影響因素

1成果簡(jiǎn)介

　　目前，鈉離子電池主要采用酯類與醚類兩類有機(jī)電解液。酯類電解液因其成本較低、與高壓正極材料兼容性優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于商業(yè)化鈉離子電池。醚類電解液雖然耐高電壓性差，但往往能表現(xiàn)出較為優(yōu)異的動(dòng)力學(xué)行為和容量性能。目前從炭材料結(jié)構(gòu)角度思考硬炭在酯類與醚類電解液產(chǎn)生電化學(xué)性能差異原因的工作仍較為缺乏。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所蘇方遠(yuǎn)研究員團(tuán)隊(duì)在《Electrochimica Acta》上發(fā)表研究論文。該研究從炭材料的角度揭示了鈉離子電池硬炭負(fù)極在酯類和醚類電解液中電化學(xué)性能差異的原因。研究發(fā)現(xiàn)硬炭的表面缺陷和有序度會(huì)對(duì)SEI膜的生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響，從而影響硬炭在不同電解液中的行為：表面有序且缺陷較少的瀝青衍生硬炭在兩種電解液中可形成結(jié)構(gòu)與組分相似的SEI 膜，電化學(xué)性能差異遠(yuǎn)小于表面缺陷較多的椰殼和樹脂衍生的硬炭材料。

2本文要點(diǎn)

要點(diǎn)一：選取三種不同前驅(qū)體衍生硬炭材料探究其在EC/DEC和Diglyme電解液中電化學(xué)性能差異

　　針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)選取以椰殼、樹脂和瀝青為前驅(qū)體的三種硬炭，系統(tǒng)考察了在EC/DEC和Diglyme電解液中電化學(xué)性能差異。研究揭示，瀝青衍生硬炭在兩種電解液中電化學(xué)性能差異最小，比容量差值和ICE差值分別為14.3 mAh g-1和0.06 %。椰殼衍生硬炭對(duì)應(yīng)差值為16 mAh g-1和2.95 %，樹脂衍生硬炭為21.1 mAh g-1和3.14 %。100 mA g-1電流密度下瀝青衍生硬炭在兩種電解液中的容量差值為63.76 mAh g-1，椰殼和樹脂衍生硬炭的容量差值分別為82.49 mAh g-1和113.37 mAh g-1。

圖1 、三種硬炭在EC/DEC和Diglyme電解液中電化學(xué)性能差異。

要點(diǎn)二：從界面角度探究電化學(xué)性能差異的原因

　　為探究差異不同的原因，三種硬碳分別做了電解液交換實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示瀝青衍生硬炭在EC/DEC 和Diglyme電解液中的倍率性能差異主要來自于脫溶劑化過程，椰殼衍生硬炭的倍率性能差異主要來自于SEI膜，樹脂衍生硬炭則受SEI膜和脫溶劑過程共同影響。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，瀝青衍生硬炭在EC/DEC和Diglyme電解液中生成的SEI膜厚度和組分差異最小。主要表現(xiàn)為在兩種電解液中形成的SEI膜無機(jī)組分和有機(jī)組分占比更接近，且SEI膜的厚度差異在2 nm之內(nèi)。椰殼和樹脂衍生硬炭在EC/DEC和Diglyme電解液中生成的SEI膜組分差異較大，且SEI膜厚度差異均大于2 nm。

圖2 三種硬炭的電解液交換實(shí)驗(yàn)

圖3 三種硬炭在EC/DEC和Diglyme電解液中形成的SEI膜

要點(diǎn)三：從炭材料角度探究電化學(xué)性能差異的原因

　　SEI膜的生長(zhǎng)過程往往受硬炭表面結(jié)構(gòu)的影響。XRD、Raman、TEM與AFM結(jié)果都表明瀝青衍生硬炭表面缺陷最少、表面碳層排列最有序，樹脂衍生硬炭表面粗糙度最高、表面最無序。DFT計(jì)算揭示有序的硬炭對(duì)溶劑分子的吸附能低于無序的硬炭，表明有序的表面能夠減少與電解液的相互作用，從而最大程度地減少了副反應(yīng)的發(fā)生。另外，表面更有序的硬炭對(duì)酯類和醚類溶劑的吸附能更接近，可調(diào)控兩種電解液中SEI 膜生長(zhǎng)趨于一致，證明有序的表面結(jié)構(gòu)能夠“中和”硬炭與酯類和醚類電解液之間的相互作用差異。證實(shí)了硬炭有序的表面結(jié)構(gòu)使得其在EC/DEC和Diglyme電解液中形成組成與結(jié)構(gòu)接近的SEI膜。

圖4 三種硬炭的表面結(jié)構(gòu)

3小結(jié)與展望

　　綜上，本研究揭示了表面有序且缺陷少的鈉離子電池硬炭負(fù)極材料在酯類和醚類電解液中會(huì)形成結(jié)構(gòu)組分相似的SEI膜，這使得界面反應(yīng)過程主要受到脫溶劑過程而非SEI膜擴(kuò)散的影響，從而降低硬炭在酯類和醚類電解液中電化學(xué)性能的差異。本工作闡明了硬炭微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其在酯類和醚類電解液中電化學(xué)性能差異的影響機(jī)理，為增強(qiáng)高性能鈉離子電池硬炭負(fù)極和電解液匹配性提供了理論指導(dǎo)。

文獻(xiàn)：

鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2026.148113

文章標(biāo)題：Uncovering Electrochemical Performance in Ester and Ether Electrolytes in Sodium-ion Batteries from Interfacial Perspective of Hard Carbon Anodes

第一作者：洪燦燦

通訊作者：陳景鵬，蘇方遠(yuǎn)

單位：中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所

來源：材料分析與應(yīng)用