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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.3 Impedance spectra(A) and conductivity of electrolytes(B) of stainless steel symmetric cell
正文中引用本图/表的段落
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.
介电常数和黏度对电解液电导率的影响显著, 表1列出3种溶剂EC, PC和DMC的介电常数和黏度对比. 由图3(B)可见, EC/PC电解液的电导率较低, 可能是由于PC溶剂黏度过大所致, 而链状碳酸酯溶剂DMC的引入对电解液的电导率有较好的改善, 尤其是DMC和PC协同作用, 使电解液具有相对最好的电导率. 较高的电导率对提高电池充放电效率、 提升功率输出和改善电池循环性能均有较大影响.
然而, 在二元溶剂体系中由于钠离子与EC和PC的氧CN增加, 分别为2.61和2.02, 容易与Na+产生较强的螯合作用, 会容易导致溶剂化鞘层的结合能较高, 从而使钠离子脱嵌很难去溶剂化. 因此, 随着溶剂DMC的引入, 钠离子迁移能力能够得到很好的提高, 使得钠离子扩散系数得到有效提高, 能够增强其倍率性能, 这与图3中电解液离子电导率的测试结果一致.
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