一種新方法導致更好的鈉離子電池

鈉比鋰更便宜、更豐富，作為下一代高壓可充電電池的基礎，它越來越有吸引力。商業上可行的鈉離子電池的開發大大落后于鋰電池，鋰電池在 1990 年代被廣泛采用。但世界各地的研究人員旨在改變這種狀況，希望最終創造出一種更經濟的鋰替代品。鈉離子電池性能的進步最終可能導致電網更廣泛地采用可再生能源，并降低電動汽車的成本。

制造可行的鈉離子電池的主要障礙之一是找到穩定的陽極。硬碳是目前鈉離子電池常用的正極，但它也有相間不穩定的缺點——分解的電解質會在其表面堆積，增加相間阻抗，導致放電容量急劇下降。

中國的一組研究人員測試了 N-苯基雙(三氟甲烷磺胺)(PTFSI)作為硬碳的成膜添加劑，發現它增強了相間穩定性，使鈉的容量保持率提高了 52% 100 次循環后的離子電池。他們在Nano Research上發表了他們的發現。

“鈉離子電池近年來才重新受到關注，”華南師范大學化學學院教授、該研究的合著者邢立丹說。“硬碳是鈉電池應用最廣泛的負極材料，但其長循環穩定性還不足以滿足商業和工業應用要求。關于電解液與硬碳負極材料匹配的研究較少。”

研究發現，在硬碳陽極中添加 PTFSI 可將他們測試的硬碳/鈉半電池的容量保持率從 0% 提高到 500 次循環后的 68%。“這種改進是深刻的，”邢說。

先前構建高性能鈉離子電池的嘗試包括添加具有擴大夾層的多功能氮摻雜硬碳，以及在另一種情況下開發碳化重構木質素作為新型硬碳陽極。已經使用氟代碳酸亞乙酯、琥珀酸酐、銣和銫離子對鈉離子電池的其他碳酸鹽基電解質進行了實驗。這些方法都沒有接近 Xing 和她的同事通過在硬碳陽極中添加 PTFSI 成膜電解質添加劑所取得的改進。

“作為陽極的成膜添加劑，PTFSI 的還原活性與其分解產物的性質一樣重要，”邢說。“例如，在這項工作中，PTSFI 的結構與 FSTI 陰離子的結構相似，它們的還原產物的結構和性質也非常相似。但是，PTFSI 是一種比 FSTI 陰離子具有更高還原活性的分子前者可以提高硬碳的相間穩定性，而后者不能。因此，本工作為硬碳成膜添加劑的設計提供了思路。

研究小組使用紐扣電池來評估 PTFSI 作為他們新提出的電解質鈉離子系統的一部分。他們使用切割成直徑 12 毫米的薄銅箔制造硬碳陽極，經過涂層和干燥，然后用玻璃纖維隔板和碳酸基電解質分層成半電池。使用和不使用其提議的 PTFSI 成膜添加劑制造的電池可充電和放電多達 500 次。作者得出的結論是，增加 1% 的 PTFSI 可顯著提高性能。

“我們從這項工作中觀察到，PTFSI 可以顯著提高硬碳的長循環性能。因此，下一步是評估其在大容量門廊電池中的性能。如果結果與紐扣電池相似，我們相信這種添加劑可用于鈉離子電池的商業應用。”