12月5日，上海理工大學(xué)竇世學(xué)院士、吳超教授團(tuán)隊(duì)在《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）發(fā)表重要研究成果，論文題為“分子楔重構(gòu)溶劑化結(jié)構(gòu)用于低溫Ah級無負(fù)極鈉金屬電池“（Molecular Wedge Reconstructing the Solvation Structure for Low-Temperature Ah-Level Anode-Free Sodium Metal Batteries）。該工作面向極寒環(huán)境下高能量密度儲能技術(shù)的重大需求，提出了一種全新的 “分子楔入（Molecular Wedging）”電解液設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了從室溫25°C到-40 °C超低溫條件下Ah級無負(fù)極鈉金屬電池的高穩(wěn)定循環(huán)與高能量密度，填補(bǔ)了該領(lǐng)域長期存在的性能瓶頸。上海理工大學(xué)與上海大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生黃嘉文為第一作者，寧波東方理工大學(xué)彭健教授、福州大學(xué)吳明紅院士、上海理工大學(xué)能源材料科學(xué)院吳超教授為共同通訊作者，上海理工大學(xué)為第一單位。
無負(fù)極鈉金屬電池因成本低、能量密度高、結(jié)構(gòu)極簡，是下一代大規(guī)模儲能的重要方向。然而，在低溫環(huán)境下，傳統(tǒng)電解液普遍面臨離子傳輸遲緩、溶劑-鈉離子強(qiáng)配位導(dǎo)致低溫凍結(jié)、脫溶劑化困難、界面不穩(wěn)定導(dǎo)致容量快速衰減。這些問題使其在 0 °C 以下幾乎無法正常工作，不能實(shí)現(xiàn) Ah 級軟包電池的穩(wěn)定運(yùn)行。
研究團(tuán)隊(duì)通過引入芳香醚，憑借其與強(qiáng)溶劑化作用溶劑之間的定向偶極作用“楔入”鈉離子溶劑化結(jié)構(gòu)，從空間位阻與電荷重分布兩個層面重構(gòu)局部溶劑化環(huán)境，顯著降低低溫脫溶能壘，并促進(jìn)形成富含無機(jī)組分的穩(wěn)定界面膜。得益于這一結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制，電解液在-40 °C依舊保持良好流動性、高離子電導(dǎo)率和界面反應(yīng)穩(wěn)定性。在電化學(xué)性能測試中，團(tuán)隊(duì)所構(gòu)建體系在 -40 °C 下實(shí)現(xiàn)了 99.98% 庫倫效率與超過 1000 小時的穩(wěn)定循環(huán)，表現(xiàn)出高度可逆的鈉沉積行為。進(jìn)一步制備的3Ah無負(fù)極軟包電池在 -40 °C環(huán)境中仍具備2.41Ah的初始容量和170 Wh kg?1的能量密度，展示了優(yōu)異的工程應(yīng)用潛力。使用商用化的NFM層氧正極軟包電池能在-40 °C下實(shí)現(xiàn)184 Wh kg?1的超高能量密度。
該研究為鈉電的低溫儲能系統(tǒng)提供了新的設(shè)計(jì)理念，為推動無負(fù)極鈉金屬電池在極寒地區(qū)儲能、電動交通和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用邁出重要一步。
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論文原理圖
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論文DOI：10.1021/jacs.5c17927
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