专栏名称: 能源学人

能源学人致力于打造最具影响力的知识媒体平台！ “能”（Energy）涉及化学、生物、信息等与能相关的前沿科技领域； “源”（Nature）即通过现象探究事物本质，科学化深层次解析问题。

王赪胤教授、黎晋良教授，麦文杰教授Nano Energy：通过降低醚类溶剂链长实现硬碳负极稳定高效的低温储钠

能源学人 · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-10-23 09:53

正文

第一作者：李家宝

通讯作者：王赪胤教授、黎晋良教授，麦文杰教授

单位：扬州大学，暨南大学

【研究背景】

得益于资源丰富和与锂离子电池类似的机制，钠离子电池的研究受到越来越多的关注。然而钠离子电池的低温性能不佳，限制了其应用场景。醚类电解液具有低熔点和硬碳负极良好的兼容性，是非常有前景的钠离子电池电解液选择。许多研究也表明醚类电解液和硬碳负极的匹配能显著改善电池反应动力学和界面性能，获得更有益的电池性能。但是性能提升背后的机制目前仍然不清楚，需要进一步研究。同时建立醚类溶剂分子结构与其反应动力学，界面组成以及电池性能之间的构效关系对于深入理解醚类电解液和硬碳的相互作用至关重要，有助于提升钠离子电池的低温性能。

【文章简介】

近日，来自扬州大学的李家宝博士和王赪胤教授联合暨南大学黎晋良研究员和麦文杰教授在Nano Energy 上发表了题为“The Ether’s Chain Length Effect in Electrolyte for Hard carbon towards Efficient Sodium Storage at Low Temperature” 的研究文章。改文章系统分析了醚类电解液中醚类溶剂链长对于反应动力学，界面组成/结构，以及钠离子电池低温性能之间的构效关系。

图1 醚类溶剂链长对于反应动力学以及界面的影响

【本文要点】

1. 醚类溶剂链长的影响

图2 溶剂链长对于配位数和溶剂化能的影响

我们分别选取了乙二醇二甲醚（DME），二乙二醇二甲醚（Diglyme），三乙二醇二甲醚（Triglyme），四乙二醇二甲醚（Tetraglyme）作为研究对象，系统分析了其在溶剂化过程中的形变和溶剂化能。首先，由于链醚上有多个氧，当和钠离子溶剂化的过程中，链醚会发生弯折，降低体系的能量。根据不同链醚含氧数的差异，钠离子和溶剂的配位数会有差异，短链的DME的配位数能达到4，二长链的Tetraglyme只有2。另外，溶剂化自由能也随着溶剂配位数的改变而改变。为了适应低温环境，筛选合适的醚类溶剂，降低去溶剂化能，并深入理解其背后的机制对于醚类电解液的发展具有重要意义。

2. 微观机制探究

图3 分子动力学模拟

分子动力学模拟的结果表明通过减少溶剂链长可以构建弱溶剂化电解液，促进阴离子溶剂化，从而有助于实现快速的去溶剂化和在硬碳负极表面形成阴离子衍生的SEI膜，提升界面动力学和稳定性。进一步分析离子迁移速率发现由短链溶剂组成的电解液可以提升钠离子在液相电解液中的迁移。

3. 优异的常温和低温性能

图3 电池性能

通过系统比较硬碳在不同链长电解液中的性能，我们可以发现：在由短链溶剂组成电解液中，硬碳在常温和低温下都展现出最佳的性能。与此同时，平台容量也大大增加；短链溶剂的电解液也有助于维持硬碳中稳定的钠离子嵌入和脱出。值得注意的是，在-20度的低温下，倍率测试中5.0 A g ^-1 的电流密度下，硬碳依旧表现出较高的容量，再次凸显出溶剂选择对于硬碳和醚类电解液匹配性的重要作用。

【结论】

不同于以往针对醚类电解液和酯类电解液的对比研究，本文对于醚类电解液中溶剂的分子结构（链长和氧原子数）的研究凸显出了溶剂结构对于电解液性质的重要作用。短链的醚类溶剂一方面可以降低去溶剂化能垒，在硬碳表面形成阴离子衍生的无机组分SEI膜，同时可以加快离子迁移和扩散，对于低温电池的性能提升至关重要。

Jiabao Li, Jingjing Hao, Quan Yuan, Long Wang, Xun Sun, Jun Xu, Tianyi Wang, Chengyin Wang, Jinliang Li, Wenjie Mai, The Ether’s Chain Length Effect in Electrolyte for Hard carbon towards Efficient Sodium Storage at Low Temperature, Nano Energy, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110362

福耀科大“杰青/长江学者”蒋建中教授：Nature子刊

2024-10-22

定向缺陷修复和多功能界面构筑助力废旧LiFePO4正极直接再生

王赪胤教授、黎晋良教授，麦文杰教授Nano Energy：通过降低醚类溶剂链长实现硬碳负极稳定高效的低温储钠

正文

请到「今天看啥」查看全文