一种新方法导致更好的钠离子电池

钠比锂更便宜、更丰富，作为下一代高压可充电电池的基础，它越来越有吸引力。商业上可行的钠离子电池的开发大大落后于锂电池，锂电池在 1990 年代被广泛采用。但世界各地的研究人员旨在改变这种状况，希望最终创造出一种更经济的锂替代品。钠离子电池性能的进步最终可能导致电网更广泛地采用可再生能源，并降低电动汽车的成本。

制造可行的钠离子电池的主要障碍之一是找到稳定的阳极。硬碳是目前钠离子电池常用的正极，但它也有相间不稳定的缺点——分解的电解质会在其表面堆积，增加相间阻抗，导致放电容量急剧下降。

中国的一组研究人员测试了 N-苯基双(三氟甲烷磺胺)(PTFSI)作为硬碳的成膜添加剂，发现它增强了相间稳定性，使钠的容量保持率提高了 52% 100 次循环后的离子电池。他们在Nano Research上发表了他们的发现。

“钠离子电池近年来才重新受到关注，”华南师范大学化学学院教授、该研究的合著者邢立丹说。“硬碳是钠电池应用最广泛的负极材料，但其长循环稳定性还不足以满足商业和工业应用要求。关于电解液与硬碳负极材料匹配的研究较少。”

研究发现，在硬碳阳极中添加 PTFSI 可将他们测试的硬碳/钠半电池的容量保持率从 0% 提高到 500 次循环后的 68%。“这种改进是深刻的，”邢说。

先前构建高性能钠离子电池的尝试包括添加具有扩大夹层的多功能氮掺杂硬碳，以及在另一种情况下开发碳化重构木质素作为新型硬碳阳极。已经使用氟代碳酸亚乙酯、琥珀酸酐、铷和铯离子对钠离子电池的其他碳酸盐基电解质进行了实验。这些方法都没有接近 Xing 和她的同事通过在硬碳阳极中添加 PTFSI 成膜电解质添加剂所取得的改进。

“作为阳极的成膜添加剂，PTFSI 的还原活性与其分解产物的性质一样重要，”邢说。“例如，在这项工作中，PTSFI 的结构与 FSTI 阴离子的结构相似，它们的还原产物的结构和性质也非常相似。但是，PTFSI 是一种比 FSTI 阴离子具有更高还原活性的分子前者可以提高硬碳的相间稳定性，而后者不能。因此，本工作为硬碳成膜添加剂的设计提供了思路。

研究小组使用纽扣电池来评估 PTFSI 作为他们新提出的电解质钠离子系统的一部分。他们使用切割成直径 12 毫米的薄铜箔制造硬碳阳极，经过涂层和干燥，然后用玻璃纤维隔板和碳酸基电解质分层成半电池。使用和不使用其提议的 PTFSI 成膜添加剂制造的电池可充电和放电多达 500 次。作者得出的结论是，增加 1% 的 PTFSI 可显着提高性能。

“我们从这项工作中观察到，PTFSI 可以显着提高硬碳的长循环性能。因此，下一步是评估其在大容量门廊电池中的性能。如果结果与纽扣电池相似，我们相信这种添加剂可用于钠离子电池的商业应用。”