醚类电解液推进钠离子电池发展的新机遇和挑战

【 前言部分 】

面向低成本大规模储能系统的钠离子电池，近年来在科研界和产业界发展迅速。前期研究主要聚焦在研发新型电极材料上，相比而言在电解液方面的关注和突破较少。事实上，立足于完整的钠离子电池体系，新型电极的电化学性能发挥，离不开电解液的优化与匹配。醚类电解液作为一种常用的有机系电解液，由于其可以独特地激发钠离子和溶剂分子在石墨中的共插层反应、改良负极材料的固态电解质界面（SEI）并减小电化学极化，逐渐颠覆了醚类电解液不适用于传统离子电池中的认知，相关研究正得到越来越广泛的关注。但事实上，相比醚类电解液在锂硫或者锂空气电池中的系统研究，醚类电解液在钠离子电池体系的研究仍处于初步阶段，需要更多的基础科学理解及实用化推进。最近，天津大学杨全红教授、清华大学吕伟副教授和新南威尔士大学王大伟博士合作系统梳理了醚类电解液在锂离子电池中的发展历程，并深度剖析了醚类电解液在钠离子电池中新颖的电化学特性及相关研究进展。最后，还对醚类电解液在钠离子电池中的未来发展机遇、挑战以及实用化发展路线进行了展望。该文章发表在国际顶级期刊（先进能源材料）Advanced Energy Materials上（影响因子：21.875）。

【 核心内容 】

醚类电解液在锂离子电池的研究初始，是被用来调节锂离子沉积形貌从而抑制锂枝晶的大量生成。但随着锂金属负极循环圈数的增加，枝晶问题仍然会严重凸显并造成电池短路。随着诸如碳材料等其他潜力负极材料的研发，酯类电解液相比醚类电解液更优异的负极钝化和保护能力，使得酯类电解液逐步替代醚类电解液成为锂离子电池研究的首选有机电解液。而醚类电解液较差的高压稳定性（<4 V），更降低了其实用价值。有趣的是，由于锂硫和锂空气电池的飞速发展，醚类电解液在如上两个体系中独特的电化学特性，使其在锂基二次电池中的研究逐渐复兴并发展。

醚类电解液在钠离子电池中的研究兴趣起源于高度可逆的石墨共插层反应，解决了石墨在酯类电解液中电化学活性极低的难题。之后，醚类电解液又被证明相比酯类电解液，可以在钠金属和高比表面积碳材料电极上构筑有效的固态电解质界面(SEI)，显著提升电化学反应效率及稳定性。同时，醚类电解液还被证明在诸如金属、金属硫化物和金属氧化物等潜在负极体系中具有显著改善电化学性能的作用。此外，多种无机正极材料也被发现可以良好地和醚类电解液匹配，从而与上述负极一起良好地构建钠离子全电池原型，并展现出优异的综合性能。最后，类似于锂硫和锂空气电池，钠硫和钠空气电池体系也更适合利用醚类电解液。

虽然醚类电解液在钠离子电池中取得一系列重要的研究进展，但必须要清醒的认识到，相关研究仍然处于初级阶段，机遇和挑战并存，必须更好地理解和解决如下问题：（1）醚类电解液中醚类溶剂分解形成SEI的电化学过程及组分对于电化学性能的影响；（2）碳负极及非碳负极SEI的原位生成过程及其微观结构和组分的系统表征；（3）采取多种措施提高醚类电解液高电压的稳定性；（4）醚类电解液中添加剂等对于电化学性能的影响和分析。

有效地就上述问题进行研究和突破，将更好地推进醚类电解液在钠离子电池中的科学研究和实用化进程，激发更多激动人心的科学发现和实际应用。相关文章发表在Advanced Energy Materials上（Adv. Energy Mater., DOI: 10.1002/aenm.201801361）。第一作者是清华大学清华-伯克利深圳学院博士生张俊。

【核心示意图—醚类电解液在钠基二次电池中的应用示意图】