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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.9 GITT curves(A), corresponding sodium⁃ion diffusion coefficients(B) of HC anode in different electrolytes
正文中引用本图/表的段落
图9(A)和(B)分别给出了HC在3种电解液中的GITT曲线和对应的钠离子扩散系数, 可见钠离子扩散系数整体上随电压降低呈指数衰减特性, 但在最后阶段呈弱回升趋势. 值得注意的是, 在脱钠初始阶段, EC/PC/DMC电解液对应着较高的扩散系数, 这说明多溶剂协同作用可以提高钠离子扩散动力学, 然而随着脱钠深度提高, 不同电解液体系的扩散速率趋于相似数量级. 这种动力学行为的阶段性差异源于不同电位区间的电化学机制转变, 电压较高的斜坡区主要受表面控制机制主导, 对应钠离子在HC表面缺陷及微孔结构的表面吸附/插层混合存储机制, 而电压较低的平台区则遵循扩散控制机制, 反应钠离子在石墨微晶区的嵌入和脱出过程[21].
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