筑波大學(xué)周豪慎、楊慧軍/天津大學(xué)楊全紅PNAS：分子篩膜賦予硬碳負(fù)極高倍率和超穩(wěn)定的鈉存儲

硬碳因其高豐度、低成本以及低工作電勢等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前景的鈉離子（Na-ion）電池負(fù)極材料。然而，硬碳負(fù)極的倍率性能和循環(huán)壽命遠(yuǎn)不能令人滿意，這嚴(yán)重阻礙了其工業(yè)應(yīng)用。

近日，日本筑波大學(xué)楊慧軍教授、周豪慎教授和天津大學(xué)楊全紅教授證明脫溶劑化過程定義了鈉離子擴(kuò)散動力學(xué)和固體電解質(zhì)界面(SEI)的形成。基于此，作者引入3A沸石分子篩膜，以硬碳負(fù)極上開發(fā)逐步脫溶劑化路徑，這有效降低了直接脫溶劑化過程的高活化能。此外，逐步脫溶劑化會產(chǎn)生一種薄且以無機(jī)物為主的SEI，其對Na⁺傳輸?shù)幕罨茌^低。因此，這有助于大幅度提高酯類和醚類電解液的功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)顯示，3A沸石分子篩膜引入后，硬碳負(fù)極在所有評估的電流密度下都實(shí)現(xiàn)了最長的壽命和最小的容量衰減率。此外，隨著電流密度的增加，還觀察到了提高的平臺容量比。總體而言，這種逐步的脫溶劑化策略全面增強(qiáng)了硬碳負(fù)極的各種性能，為構(gòu)建實(shí)用的高功率密度、高能量鈉離子電池提供了可能。

文章要點(diǎn)：

1.這項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)，脫溶劑化過程對于決定硬碳負(fù)極的Na⁺儲存動力學(xué)至關(guān)重要，其主要影響脫溶劑化的活化能和SEI的形成。

2.隨著3A沸石分子篩膜的引入，硬碳負(fù)極上的直接脫溶劑化演變?yōu)榛罨艽蟠蠼档偷闹鸩矫撊軇┗４送猓鸩降拿撊軇┗梢詫?shí)現(xiàn)超濃縮的電解液配置，它導(dǎo)致形成薄且無機(jī)為主的SEI，因此Na⁺通過SEI傳輸?shù)幕罨艽蟠蠼档汀?/p>

3.快速Na⁺傳輸動力學(xué)的協(xié)同改進(jìn)賦予硬碳負(fù)極優(yōu)異的倍率性能，結(jié)果硬碳負(fù)極在所有評估的電流密度（0.2、0.5和1Ag^-1）下，在所有文獻(xiàn)中都顯示出最長的壽命和最小的容量衰減率。

4.此外，隨著電流密度的增加，平臺區(qū)的容量比例大幅提高，在長期循環(huán)過程中，在0.5Ag^-1的電流密度下可以保持高達(dá)73%的平臺容量比。

5.總體而言，這項(xiàng)研究的見解將為鈉離子電池的實(shí)際應(yīng)用提供啟示，這也有望在其他類型的可充電池中產(chǎn)生有希望的結(jié)果。

圖1分子篩促進(jìn)預(yù)脫溶劑化電解液的形成及逐步脫溶劑化過程的示意圖

圖2預(yù)脫溶劑化電解液的表征和電化學(xué)性質(zhì)

圖3基于預(yù)脫溶劑化電解液的硬碳的電化學(xué)性能

圖4硬碳的長循環(huán)性能

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https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2210203119

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