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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.6 MSD diffusion curves of EC/PC(A), EC/DMC(B) and EC/PC/DMC(C) and diffusion coefficients of EC/PC, EC/DMC and EC/PC/DMC(D)
正文中引用本图/表的段落
此外, 通过追踪钠离子均方位移(MSD)随时间演变的曲线, 基于爱因斯坦关系式计算出钠离子扩散系数[17], 从而深入分析钠离子的动力学特性. 图6(A)~(D)分别为3种电解液的MSD扩散曲线和钠离子在3种电解液中的扩散系数. 由图6(A)~(C)可见, EC/PC和EC/PC/DMC电解液中MSD拟合曲线的R2值均大于0.99, 说明数据高度符合线性关系, 验证了扩散测量的可靠性. 而在EC/DMC中R2值 略低, 为0.965, 这可能与电解液中存在亚扩散或体系条件不够优化有关. 通过计算得到钠离子在 EC/PC/DMC, EC/PC和EC/DMC电解液中的扩散系数分别为1.75×10-6, 1.35×10-6和1.39×10-6 cm2/s. 可见, EC/PC/DMC电解液展现出最优异的离子扩散能力, 与电导率测试结果高度吻合, 进一步验证了这种电解液体系在促进离子传输方面的协同效应.
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