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醚类电解液有望大幅提高钠电池性能

由于钠元素资源丰富、分布均匀、以及成本低的优点,钠离子电池被认为是在大规模电化学储能领域中可以得到广泛应用的可充电的电池体系。然而,由于钠离子具有比锂离子更大的离子半径(1.02 Å vs. 0.76 Å),钠离子电池的电极材料普遍存在容量低、倍率性能差、循环寿命短等问题,更加难以满足高倍率应用下长循环寿命的要求。因此在开发高容量,长循环寿命,以及高倍率充放电钠离子电池中还存在很多挑战。针对此问题,悉尼科技大学清洁能源研究技术中心的苏大为博士后、卡佳·克雷奇黙博士和汪国秀教授等研究者对钠离子电池电解液材料进行了研究。他们发现当利用醚类电解液取代传统的碳酸烷基酯电解液可以极大提高钠离子电池电极材料的电化学性能。

醚类电解液有望大幅提高钠电池性能

研究者以硫化锌纳米球负极材料作为案例,对其在醚类电解液碳酸烷基酯电解液中的电化学性能进行了比对,结果发现在醚类电解液中,硫化锌纳米球具有1000mA h g-1的比容量以及高达90 %的初始充放电库伦效率。同时,硫化锌纳米球电极在醚类电解液中满足在高倍率测试条件下长循环寿命的使用要求:在80, 160, 320, 以及 640 mA g-1的电流密度测试条件下,100次充放电循环过后, 硫化锌纳米球负极材料分别保持了515, 480, 465, 以及 423 mA h g-1 的放电比容量,这远远高于其在传统碳酸烷基酯电解液中的电化学性能。通过一系列电化学测试、动力学分析与第一性原理计算等手段的研究发现,醚类电解液可以促进钠离子电池中电荷的传输,减少钠离子扩散的能量壁垒,从而提高其电化学性能。研究人员还通过X射线衍射,场发射扫描电镜,透射电镜以及能量色散谱检测发现,在醚类电解液中,硫化锌纳米球在一百圈充放电循环之后,依然维持着结构的完整性。相反,在传统碳酸烷基酯电解液中,硫化锌纳米球并不能保持其结构的完整性,从而导致较低的循环寿命。

作为钠离子电池的负极材料,硫化锌纳米球在醚类电解液中展现出了高循环性、高库伦效率与高寿命的电化学性能,尤其满足高倍率应用下长循环寿命的使用要求。该工作报道的醚类电解液不但可以适用于硫化锌负极材料,其还可以作为一种普适电解液,具有潜力在改善其他钠离子电池电极材料电化学性能方面得到广泛的应用,而且有望促进开发具有优异高倍率和高循环性能的钠离子动力电池。

相关结果最近发在Advanced Energy MaterialsDOI: 10.1002/aenm.201501785)上。



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