温州大学太阳成集团tyc9728碳中和技术创新研究院李林团队在国际权威期刊PNAS上发表学术论文

得益于钠高的地壳丰度(2.3 wt%)、较高的理论容量(1165 mAh g^-1)及较低的氧化还原电位(-2.71 V)，钠离子电池(SIBs)被认为是后锂时代具发展前景的一种电网级大规模储能技术。然而，SIBs在低温下，特别是在-20°C以下，容量低衰减快，其性能提升仍然是极端环境部署的迫切需求。大体上，影响钠离子电池低温性能的因素主要包含以下四方面：(1)电解液内部的离子传输；(2)电极-电解液界面的去溶剂化过程；(3)电极-电解液界面内部的离子传输；(4)电极材料内部的电子和离子传输。值得注意的是，界面Na⁺去溶剂化过程对低温更敏感，主导电荷转移阻抗，是影响电池性能的限速步。电解液的去溶剂化能取决于Na⁺-阴离子和Na⁺-溶剂分子的竞争配位，因此调控电解液的溶剂化化学是加速去溶剂化过程、提升SIBs低温性能的关键。虽然盐浓度和弱配位溶剂对内溶剂化构型的调控是行之有效的，阴离子对溶剂化行为的作用同样不可忽视。深入解析Na⁺，阴离子和溶剂分子的溶剂化化学对低温SIBs性能的提升至关重要。

图1. Na⁺溶剂化化学。（A）常见阴离子的DN值；（B）Na⁺-阴离子的结合能；（C-E）各电解液Raman谱图及自由G2、配位G2的占比；（F）²³Na NMR谱图及（G）各组分配位数

近日我院碳中和技术创新研究院李林团队联合南开大学李福军教授在国际权威期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上发表题为“Regulation of Anion-Na⁺ Coordination Chemistry in Electrolyte Solvates for Low Temperature Sodium-Ion Batteries”的学术论文。文中选用高电子亲和能力的阴离子三氟乙酸根(TFA^-)调控1.0 M NaPF₆-G2电解液中的溶剂化学。该全氟阴离子的DN值高达34.0 kcal mol^-1，其强配位作用使其全部参与内溶剂化鞘层，实现常规浓度下更多阴离子占据的溶剂化构型。与1.0 M NaPF₆-G2电解液相比，增强的TFA^-和降低的G2配位的溶剂化化学加速了界面Na⁺去溶剂化行为，呈现出较低的去溶剂化能(40至-20 ℃：3.49 vs. 4.16 kJ mol^-1；-20至-60 ℃：16.55 vs. 24.74 kJ mol^-1)。可诱导均匀稳定的Na沉积，实现25 ℃下500圈99.9%的超高超稳定的库仑效率。同时，Na||Na₃V₂(PO₄)₃电池在-40 ℃下循环呈现出60.2%的室温容量和100圈后99.2%的高容量保持率。这项工作为溶剂化化学调控助力高性能低温钠离子电池发展提供了新的见解。我院博士后周洵竹为第一作者，我院侴术雷教授，李林特聘教授以及南开大学李福军教授为共同通讯作者，相关工作受到国家自然科学基金，中国博士后科学基金及海河可持续化学转化实验室的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2316914121