实现高压宽温域钠离子电池是一个巨大的挑战，对于钠离子电池能量密度的提高和实际应用至关重要。

在此项工作中，作者提出了一种电解质，通过精细调节三元溶剂-溶剂相互作用，提高了电解质的化学和电化学稳定性。三元电解质中溶剂化力和溶剂-溶剂相互作用的竞争促进了Na+的传输，因此产生了稳定的界面。与传统的碳酸酯电解质相比，三元电解质有效地阻碍了层状氧化物正极中的结构相变和过渡金属溶解。这使得氧化物正极能够在4.2 V下以99.95%的库仑效率运行1000次循环，并在-35至80°C的温度范围内稳定运行。Ah级软包电池在各种温度下表现出良好的循环稳定性。

相关研究成果以“Ternary Electrolyte Enables High-Voltage and High-Temperature Na-Ion Batteries”为题发表在国际知名期刊ACS Energy Letters上。浙江大学马梦莹博士、Chen Binbin为第一作者。浙江大学潘慧霖教授为通讯作者。

图1 三元TDP电解质的设计。（a） TEP、DMC和PhCF₃溶剂与Na⁺的结合能。（b） TEP在纯TEP和混合溶剂中的¹H NMR光谱。（c） 不同溶剂之间相互作用的结合能。（d） 三元TDP溶剂的MD模拟快照。TEP、DMC和PhCF₃分子分别显示为黄色、绿色和蓝色。TEP（e）和DMC（f）在不同溶剂和电解质中的¹⁷O NMR光谱。（g） DMC分子C═O伸缩振动的红外光谱。（h） Na⁺在不同电解质中与不同物种的配位数。

图2 常规碳酸酯和三元TDP电解质的理化性质。（a，b）NFM粉末在常规碳酸酯电解质和NaPF₆-TDP+0.5%VC中在不同温度和储存时间下的浸泡实验。不同电解质的电化学稳定性窗口（c）、电导率测量（d）和Na⁺迁移数测量（e）。

图3 NFM||Na电池和NFM||HC全电池在4 V截止电压下的电化学性能。（a） NFM||Na电池在5℃和25℃下不同电解质中的循环性能。（b） NaPF₆-NaODFB TDP+0.5%VC电解质在0.2 C下在宽温度范围（-35至60°C）内NFM||Na电池的充放电曲线。（c，d）NFM||HC全电池在1 M NaPF₆ EC/DMC+0.5%VC电解质（c）和NaPF₆-NaODFB TDP+0.5%VC电解质（d）中在25℃、45℃和60℃的不同温度下的循环性能。（e） 在25和45°C下，NaPF₆-NaODFB TDP+0.5%VC电解质中Ah级NFM||HC软包电池的长循环性能。

图4 NFM||Na电池和NFM||HC全电池在4.2 V截止电压下的电化学性能。NFM||Na电池在25°C下使用不同电解质的倍率性能（a）和5 C倍率下的循环性能（b）。（c，f）在（c）25℃和（f）45℃下，NFM||HC全电池在不同电解质中在1-4.2 V电压范围内的循环稳定性。（d，e，g，h）NFM||HC全电池在不同电解质和不同温度下的充放电曲线。（d，e）在25°C时和（g，h）在45°C时。NFM||HC全电池的正极负载为7 mg cm^-2，N/P比为1.06。

图5 不同电解质和充电截止电压进行100次循环后，NFM||HC全电池NFM正极的特征。（a–d）在（a，b）碳酸酯和（c，d）NaPF₆-NaODFB TDP+0.5%VC电解质中循环的NFM正极的SEM图像。（e–h）在（e，f）碳酸酯和（g，h）NaPF₆-NaODFB TDP+0.5%VC电解质中循环的NFM正极的HRTEM图像。图5a、c、e和g的全电池工作电压范围为1-4 V，图5b、d、f和h为1-4.2 V。（i，j）在充电电压为（i）4 V和（j）4.2 V时，通过ICP-MS从NFM||HC全电池获得的NFM正极在电解质中的过渡金属溶解。在HC和隔膜中观察到的Ni和Mn元素的总量转化为图5i，j中y轴的正极质量损失百分比。（k）CEI层的化学成分。

图6 NFM||HC全电池在不同电解质和充电截止电压下100次循环后的HC负极特性。（a–d）在（a，b）碳酸酯和（c，d）NaPF₆-NaODFB TDP+0.5%VC电解质中循环的HC负极的SEM图像。（e–i）在（e–g）碳酸酯和（h，i）NaPF₆-NaODFB TDP+0.5%VC电解质中循环的HC负极的HRTEM图像。图6a、c、e和h的全电池操作电压范围为1-4 V，图6b、d、f、g和i的全电池工作电压范围为1-2 V。（j、k）在（j）碳酸酯和（k）NaPF₆-NaODFB TDP+0.5%VC电解质中循环的NFM||HC全电池负极和正极副反应之间相互作用和化学效应的示意图。

在这项工作中，作者提出了一种电化学性能优异的不可燃磷酸盐基电解质，可在4.2 V和高温下稳定运行。通过使用具有不同溶剂化能力的溶剂分子调节三元溶剂体系内的分子间相互作用，可以大大提高磷酸盐基电解质的电化学和化学稳定性。这项工作通过引入溶剂分子的不同作用，将局部溶剂化与阳离子的宏观化学和输运性质解耦，为设计功能电解质提供了有益的见解。

▍文献链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c01560

文章来源：高低温特种电池

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