鈉比鋰更便宜、更豐富，作為下一代高壓可充電電池的基礎(chǔ)，它越來越有吸引力。商業(yè)上可行的鈉離子電池的開發(fā)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(chuàng)造出一種更經(jīng)濟(jì)的鋰替代品。鈉離子電池性能的進(jìn)步最終可能導(dǎo)致電網(wǎng)更廣泛地采用可再生能源，并降低電動(dòng)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(wěn)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(wěn)定的缺點(diǎn)——分解的電解質(zhì)會(huì)在其表面堆積，增加相間阻抗，導(dǎo)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(fā)現(xiàn)它增強(qiáng)了相間穩(wěn)定性，使鈉的容量保持率提高了 52% 100 次循環(huán)后的離子電池。他們在Nano Research上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

“鈉離子電池近年來才重新受到關(guān)注，”華南師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授、該研究的合著者邢立丹說。“硬碳是鈉電池應(yīng)用最廣泛的負(fù)極材料，但其長循環(huán)穩(wěn)定性還不足以滿足商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用要求。關(guān)于電解液與硬碳負(fù)極材料匹配的研究較少。”

研究發(fā)現(xiàn)，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(huán)后的 68%。“這種改進(jìn)是深刻的，”邢說。

先前構(gòu)建高性能鈉離子電池的嘗試包括添加具有擴(kuò)大夾層的多功能氮摻雜硬碳，以及在另一種情況下開發(fā)碳化重構(gòu)木質(zhì)素作為新型硬碳陽極。已經(jīng)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(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。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(zhì)添加劑所取得的改進(jìn)。

“作為陽極的成膜添加劑，PTFSI 的還原活性與其分解產(chǎn)物的性質(zhì)一樣重要，”邢說。“例如，在這項(xiàng)工作中，PTSFI 的結(jié)構(gòu)與 FSTI 陰離子的結(jié)構(gòu)相似，它們的還原產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)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(wěn)定性，而后者不能。因此，本工作為硬碳成膜添加劑的設(shè)計(jì)提供了思路。

研究小組使用紐扣電池來評(píng)估 PTFSI 作為他們新提出的電解質(zhì)鈉離子系統(tǒng)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(jīng)過涂層和干燥，然后用玻璃纖維隔板和碳酸基電解質(zhì)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(dá) 500 次。作者得出的結(jié)論是，增加 1% 的 PTFSI 可顯著提高性能。

“我們從這項(xiàng)工作中觀察到，PTFSI 可以顯著提高硬碳的長循環(huán)性能。因此，下一步是評(píng)估其在大容量門廊電池中的性能。如果結(jié)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(yè)應(yīng)用。”