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碳酸酯类溶剂对钠离子电池硬碳负极电化学性能的影响机制
陶睿敏, 李添奕, 茹梦令, 陈爽, 崔永莉
高等学校化学学报    2026, 47 (2): 20250294-.   DOI:10.7503/cjcu20250294
摘要   (145 HTML2 PDF(pc) (10842KB)(41)  

针对钠离子电池硬碳(HC)负极, 设计以六氟磷酸钠(NaPF6)为钠盐, 在碳酸乙烯酯(EC)基溶剂中添加碳酸丙烯酯(PC)和碳酸二甲酯(DMC)作为混合溶剂的电解液, 探究了不同溶剂协同组合对HC负极电化学性能的影响. 采用分子动力学(MD)模拟分析了电解液溶剂化结构和钠离子在电解液中的扩散系数; 通过电导率、 充放电、 循环性能和倍率性能等测试对比分析了HC负极在EC基电解液中的电化学性能, 并通过循环伏安(CV)、 恒电流间歇滴定技术(GITT)及电化学阻抗谱(EIS)分析钠离子存储动力学行为, 并通过扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等对硬碳表面形貌和成分进行分析. 结果表明, DMC和PC协同作用可以显著提高电解液的离子电导率和钠离子扩散速率、 优化溶剂化结构, 减少有机副产物并增加阴离子配位, 促进固体电解质介面(SEI)膜中无机物的生成, 有效降低SEI膜阻抗和电荷传递阻抗, 同时提高钠离子在HC中的扩散系数, 使HC负极在1 mol/L NaPF6-EC/PC/DMC电解液中具有相对优异的倍率性能和充放电循环性能, 在50 mA/g电流密度下初始容量为362.0 mA·h/g, 循环50次后, 容量衰减至353.4 mA·h/g, 容量保持率为97.6%. 因此, EC/PC/DMC混合溶剂是钠离子电池HC负极最具有应用前景的溶剂之一.



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Fig.1 SEM(A, B), TEM(C) and HRTEM(D) images of HC material
正文中引用本图/表的段落
图1给出了参照文献[15]方法利用煤沥青制备的HC材料的SEM和TEM照片. 从图1(A)和(B)可见, HC主要由许多大小不一且呈块状的微米颗粒组成, 颗粒表面光滑; TEM照片进一步证实了HC的块状颗粒特征, 其主要是无定形碳[图1(C)]. HRTEM照片显示出HC在高分辨率下具有典型的局部短程有序的碳骨架, 但整体呈现无序结构[图1(D)].
图3(A)为3种电解液不锈钢对称电池所测的阻抗谱图, 图3(B)为基于阻抗谱图利用式(1)计算所得3种电解液的电导率. 由图3(B)可见, 3种电解液体系的电导率差异显著, 其中, EC/PC电解液的电导率仅为0.95 mS/cm, EC/DMC为4.35 mS/cm, EC/PC/DMC为6.20 mS/cm.
为了研究不同溶剂体系对HC钠离子存储行为的影响, 在0.01~2.50 V电压范围内以0.1 mV/s的扫描速率对HC在3种电解液中进行了前3次循环伏安(CV)扫描(图S1, 见本文支持信息). 可见, CV曲线在0~0.1 V低电压下出现一对尖锐的氧化还原峰, 表示钠离子在HC微晶层间及微孔中的嵌脱; 在EC/PC电解液中首次CV曲线在约0.4 V处存在一个较大的还原峰, 可能与PC溶剂的过度分解以及产生较厚的SEI膜有关, 导致较大的不可逆容量、 降低了ICE, 这与图7(A)的测试结果相一致; 而在EC/DMC和EC/PC/DMC电解液中, CV曲线重合性较好, 表现出良好的电化学可逆性, 这可能与其形成良好的SEI膜有关[19]. 采用恒电流间歇滴定技术(GITT)技术, 并根据菲克第二定律计算钠离子在HC中的扩散系数[20]. 在GITT测试中, 首先电池在30 mA/g小电流密度下预循环, 然后以15 mA/g电流密度进行脉冲, 并在恒定电流下保持30 min, 最后静置120 min, 重复进行直至达到截止电压1.0 V为止.
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