Angew. Chem. Int. Ed.：双功能钾盐解决了钠离子电池的钠枝晶问题

【引言】

钠离子电池具有较高的理论容量和原料储备，符合新能源储能要求。钠离子负极材料的研究对解决钠离子电池的储能问题，具有重要意义。但是电解液的电化学反应和金属钠枝晶的形成，限制钠离子电池的发展。如何在抑制钠枝晶生长，同时促进均匀的SEI膜形成，是一个十分重要的研究。本文发现了一种具有两种功能的金属盐，首次探索了这种盐在钠离子电池当中的作用，揭示了其作用机理。

【成果简介】

近日，美国耶鲁大学的Hailiang Wang和中国东华大学的王宏志等人，首次介绍了钾双三氟甲烷磺酰亚胺（KTFSI），作为双功能电解液的研究。TFSI^-阴离子分解为氮化锂和氮氧化物。当K⁺吸附到钠枝晶表面时，提供固态电解液界面层，形成静电阻碍，抑制钠枝晶形成。由于阴、阳离子的协同保护作用，金属钠的电极能够在10 mAh cm^-2的容量下，循环数百个小时。相关成果以“High performance sodium metal anodes enabled by a Bi-functional potassium salt”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

【图文导读】

图1 Na//Cu全电池中不同电解液的效率图

（a）0.5 mAcm^-2-1 mAh cm^-2的条件下，Na//Cu电池中，不同的NaOTf电解液的CE图；

（b）1 mAcm^-2-1 mAh cm^-2的条件下， Na//Cu电池中，不同的NaOTf电解液的CE图。

图2Na//Cu全电池充放电后的负极材料分析

在1 mAcm^-2-1 mAh cm^-2的条件下，不同的电解液的Na//Cu电池，循环充放电40圈后的负极分析：

（a，d，g，j）Na、S、Cu的截面元素分布图；

（b，e，h，k）铜集流体上，钠金属层的SEM图；

（c，f，i，l）钠金属层截面的放大SEM图。

图3不同电解液中，SEI膜上钠的沉积示意图

（a）未添加的NaOTf电解液，钠枝晶的形成示意图；

（b）添加TFSI^-的NaOTf电解液，含氮SEI膜下钠的均匀沉积示意图；

（c）添加K⁺的NaOTf电解液，无枝晶钠形成示意图；

（b）添加KTFSI的NaOTf电解液，SEI膜下钠的均匀致密沉积示意图。

图4 Na//Na对称全电池充放电曲线

不同条件下，添加和未添加KTFSI电解液的Na//Na对称电池，持续的循环充放电曲线与时间的关系图：

（a）1 mAcm^-2- 1 mAh cm^-2；

（b）1 mAcm^-2- 2 mAh cm^-2；

（c）2 mAcm^-2-4 mAh cm^-2；

（d）2 mAcm^-2- 10 mAh cm^-2。

【小结】

本文发现了一种双功能电解液添加剂KTFSI，它能显著提高钠离子电池的效率、循环寿命和循环容量。添加的K⁺正离子能够提供静电屏蔽作用，抑制钠枝晶的生长；TFSI^-负离子有助于含氮SEI膜的形成。因此，实验中由于KTFSI的添加，钠离子电极材料能够在10 mAh cm^-2的高容量下，持续充放电超过400小时。

文献链接：High performance sodium metal anodes enabled by a bi‐functional potassium salts（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201803049）。

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