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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   (146 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.11 SEM images of HC after 10 cycles in different electrolytes of EC/PC/DMC(A), EC/DMC(B) and EC/PC(C), pristine HC(D)
正文中引用本图/表的段落
为了探索不同电解液体系对HC表面形貌的影响, 图11(A)~(D)分别给出了HC在3种电解液中 30 mA/g电流密度下循环10次前后的SEM照片. 从图11(A)可见, 在EC/PC/DMC电解液中循环10次后的HC电极表面依然保持完整的块状结构, 与循环前HC原始形貌[图11(D)]类似, 其颗粒棱角边缘清晰可见, 未发生明显的覆盖和结构坍塌现象, 这说明该溶剂体系的电解液能够构建致密均匀且较薄的SEI膜, 有效阻止了电解液和极片直接接触, 抑制了界面副反应的进一步发生, 因此, 在循环后, HC电极的表面形貌变化不大. 而在图11(C)中几乎看不到HC颗粒的光滑表面和边缘, 其上覆盖一层较厚的沉淀物, 这可能与溶剂过渡分解以及生成较厚的SEI膜有关. 因此, 在EC基溶剂中同时添加DMC和PC, 通过两者的协同作用能提高SEI膜的致密性和稳定性, 有效阻止了电解液与活性材料的副反应, 提高了电极材料的电化学性能.
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