近日，大连化物所储能技术研究部（DNL17）李先锋研究员、郑琼研究员团队和燕山大学唐永福教授合作，在钠离子电池电解液及界面研究方面取得新进展。

钠离子电池中，电解液与正负极兼容性差，则易出现副反应、电池胀气严重、界面膜不稳定等问题，引起全电池首次库伦效率低、倍率性能和稳定性差，严重时还会引发安全问题。因此，开展与正负极适配的电解液界面反应机制及界面电化学行为研究，对于指导开发高兼容电解液体系设计、提高钠离子电池的可靠性非常重要。近年来，研究团队从溶剂化结构调控的角度系统研究了电解液组分包括溶质、溶剂、添加剂对磷酸盐基钠离子电池的影响机制及界面电化学行为，揭示了阴离子PF₆⁻与Na⁺间弱库伦作用、醚类电解液中“Na⁺&溶剂共嵌入”储钠可以降低钠离子脱溶剂化能，提高电荷转移动力学的作用机制（Chem. Eng. J., 2023, 453, 139932；Chem. Eng. J., 2022, 430, 133143）；并通过含双-C≡N、-C-F键等极性基团在界面优先吸附反应构筑稳定界面的思路开发了适配于磷酸盐正极的系列高压电解液体系，有效提高了磷酸盐基钠离子电池的长循环稳定性（J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 18, 12519-12529；ACS Energy Lett., 2024, 9, 2, 461-467）。

上述工作中，电解液在正负极界面发生不可逆氧化还原副反应形成界面层（负极SEI/正极CEI）是不可或缺的步骤，但该反应也会引起电极体相中有效活性钠损失，导致电池首次库伦效率和储钠容量偏低，从而降低电池比能量。因此，在保障较高储钠动力学和循环稳定性的前提下，合理设计电解液组分，调控电解液溶剂化结构和界面吸附反应过程，减少电极体相中有效活性钠损失，对于低成本、高比能钠离子电池开发及其实用化意义重大。

针对此，研究团队提出了一种基于软硬酸碱（HSAB）原理实现阴阳离子交叉配位的电解液重构策略，在电解液中引入含两性阴阳离子的甲基三苯基溴化膦（MTPPB），并利用其与溶质六氟磷酸钠（NaPF₆）之间的阴阳离子交叉配位，实现了Na⁺溶剂化结构和界面吸附反应过程的同步调控。研究发现，MTPP⁺与硬碳（HC）负极表面存在π-π共轭桥接效应，部分MTPP⁺优先吸附在HC表面，一定程度上实现了电解液与电极的物理隔离；同时，MTPP⁺-PF₆⁻间静电作用诱导PF₆⁻在表面发生定位式还原形成超薄稳定的SEI；上述两方面的协同作用大幅降低了电解液在界面的副反应，从而降低了活性钠损失。Br⁻与Na⁺间配位作用使得Br⁻参与Na⁺溶剂化结构，削弱了Na⁺与溶剂间的相互作用，降低了溶剂配位数和Na⁺脱溶剂化能垒，使得电池储钠动力学得到有效提升。基于设计的上述电解液体系，组装的硬碳基扣式钠离子电池首次库伦效率由84.8%提高至96.6%，0.1 C下充放电的可逆储钠容量由278.7 mAh g⁻¹提升至322 mAh g⁻¹，−20°C下1 C充放电500次后可逆储钠容量仍有234 mAh g⁻¹；组装的复合磷酸铁钠正极（NFPP）||HC基软包全电池首次库伦效率由81.3%提高至90.3%，电池能量密度由202.6 Wh kg⁻¹提升至231.0 Wh kg⁻¹（基于正极活性质量）。该工作为低成本高比能钠离子电池开发提供了新的思路和指导依据。

相关工作以“Electrolyte Reconfiguration by Cation/Anion Cross-coordination for Highly Reversible and Facile Sodium Storage”为题，发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。该工作的第一作者是DNL17博士研究生侯鑫（已毕业）。上述工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、全球共性挑战项目等的支持。（文/图 侯鑫）

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202416939