鈉離子電池因鈉資源豐富、成本低廉等優(yōu)勢引發(fā)了越來越多的關(guān)注，尤其在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。硬碳由于其成本優(yōu)勢、較高的儲(chǔ)鈉容量以及較低的儲(chǔ)鈉電位，被認(rèn)為是最具應(yīng)用潛力的鈉離子電池負(fù)極材料之一。然而，硬碳首次充放電過程中缺陷和含氧官能團(tuán)的不可逆鈉化、固體電解質(zhì)界面層（SEI）的形成消耗了大量活性鈉離子，降低了硬碳負(fù)極的首次庫倫效率（ICE）和循環(huán)穩(wěn)定性，已成為制約鈉離子電池發(fā)展的瓶頸之一。預(yù)鈉化是一種提高鈉離子電池負(fù)極ICE的有效策略，然而此前報(bào)道的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控和界面改性和電化學(xué)預(yù)鈉化等策略操作繁瑣且耗時(shí)長，難以抑制電解液在硬碳表面的副分解反應(yīng)，不利于鈉離子電池的長循環(huán)穩(wěn)定性。因此，開發(fā)簡單高效的預(yù)鈉化策略，提高硬碳負(fù)極的ICE及循環(huán)穩(wěn)定性，是鈉離子電池獲得實(shí)用化的關(guān)鍵一步。
近日，南開大學(xué)李福軍研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種基于二苯甲酮鈉/乙二醇二甲醚的雙功能預(yù)鈉策略，補(bǔ)充了硬碳缺陷及含氧官能團(tuán)處不可逆鈉損失，同時(shí)預(yù)先構(gòu)筑以無機(jī)組分為主的SEI界面層，實(shí)現(xiàn)了硬碳負(fù)極的高首次庫倫效率和Na+超穩(wěn)定存儲(chǔ)。這種簡單、高效的預(yù)鈉策略有效提升了硬碳負(fù)極的界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)并改善了鈉離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
結(jié)合各種表征技術(shù)及密度泛函理論分析，二苯甲酮鈉/乙二醇二甲醚預(yù)鈉化溶液中的活性鈉離子可以有效補(bǔ)償硬碳表面羧基和羥基的不可逆鈉損失，同時(shí)Na+因靜電作用吸附在硬碳五元/七元碳環(huán)缺陷處，與硬碳發(fā)生電子轉(zhuǎn)移生成準(zhǔn)金屬鈉，表明預(yù)鈉化的成功實(shí)現(xiàn)。 基于高分辨透射電鏡、X射線光電子能譜及高斯計(jì)算可知，預(yù)鈉化硬碳表面自發(fā)形成NaF為主的均勻SEI層，這得益于準(zhǔn)固態(tài)鈉高的HOMO能級(jí)（-3.48 eV）和Na(G2)+低的LUMO能級(jí)（-1.00 eV)。這種超薄致密且富含無機(jī)組分的SEI層，增強(qiáng)鈉離子傳輸動(dòng)力學(xué)和界面穩(wěn)定性，有利于實(shí)現(xiàn)硬碳負(fù)極長循環(huán)穩(wěn)定性。 預(yù)鈉化硬碳負(fù)極在1 M NaPF6/G2電解液中展示出接近100%的首圈庫倫效率和6800圈的超穩(wěn)定循環(huán)（82.4%），同時(shí)組裝的預(yù)鈉化硬碳//磷酸釩鈉全電池循環(huán)700圈之后容量保持率為100%。這一雙功能預(yù)鈉策略將為設(shè)計(jì)高性能硬碳材料提供了新的研究思路和啟發(fā)。 論文信息 Dual-Function Presodiation with Sodium Diphenyl Ketone towards Ultra-stable Hard Carbon Anodes for Sodium-Ion Batteries Hengyi Fang+, Suning Gao+, Meng Ren, Yaohui Huang, Fangyi Cheng, Jun Chen, Fujun Li* 文章第一作者為南開大學(xué)的博士生房恒義和博士后高蘇寧 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202214717
