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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.8 Rate capability(A), long⁃term cycling performance(B) of HC anode in different electrolytes
正文中引用本图/表的段落
图8(A)和(B)分别为HC电极在3种电解液体系中的倍率性能和循环性能. 从图8(A)可见, HC在EC/PC/DMC电解液中显示出较为优异的倍率性能, 在30, 50, 100, 300和500 mA/g电流密度下, 放电容量分别为433.9, 333.0, 236.7, 143.5和84.5 mA·h/g, 当电流密度回到30 mA/g时, 其容量恢复到362.7 mA·h/g. 此外, 在高电流密度500 mA/g下, HC在3种电解液中容量差异相对较小, 这与碳酸酯类电解液在大电流下与HC兼容性不好有关. 图8(B)给出了HC在3种电解液中, 在50 mA/g电流密度下的循环性能以及在EC/PC/DMC电解液中的库库仑效率. 可见, 与EC/PC和EC/DMC相比, HC在 EC/PC/DMC电解液中表现出更高的比容量、 更优异的循环稳定性和更稳定的库仑效率, 初始容量为362.0 mA·h/g, 50次循环后, 容量衰减到353.4 mA·h/g, 容量保持率达到97.6%. HC在EC/PC/DMC电解液体系中优越的电化学性能归结于电解液较高的离子电导率和扩散系数以及无机富集型SEI界面层优化了界面离子传输动力学, 从而显著增强了钠离子嵌入/脱出的可逆性.
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