鈉電硬炭負極在酯類和醚類電解液中倍率性能差異的影響因素

1成果簡介

　　目前，鈉離子電池主要采用酯類與醚類兩類有機電解液。酯類電解液因其成本較低、與高壓正極材料兼容性優異等優勢，被廣泛用于商業化鈉離子電池。醚類電解液雖然耐高電壓性差，但往往能表現出較為優異的動力學行為和容量性能。目前從炭材料結構角度思考硬炭在酯類與醚類電解液產生電化學性能差異原因的工作仍較為缺乏。

　　近日，中國科學院山西煤炭化學研究所蘇方遠研究員團隊在《Electrochimica Acta》上發表研究論文。該研究從炭材料的角度揭示了鈉離子電池硬炭負極在酯類和醚類電解液中電化學性能差異的原因。研究發現硬炭的表面缺陷和有序度會對SEI膜的生長產生重要影響，從而影響硬炭在不同電解液中的行為：表面有序且缺陷較少的瀝青衍生硬炭在兩種電解液中可形成結構與組分相似的SEI 膜，電化學性能差異遠小于表面缺陷較多的椰殼和樹脂衍生的硬炭材料。

2本文要點

要點一：選取三種不同前驅體衍生硬炭材料探究其在EC/DEC和Diglyme電解液中電化學性能差異

　　針對這一問題，研究團隊選取以椰殼、樹脂和瀝青為前驅體的三種硬炭，系統考察了在EC/DEC和Diglyme電解液中電化學性能差異。研究揭示，瀝青衍生硬炭在兩種電解液中電化學性能差異最小，比容量差值和ICE差值分別為14.3 mAh g-1和0.06 %。椰殼衍生硬炭對應差值為16 mAh g-1和2.95 %，樹脂衍生硬炭為21.1 mAh g-1和3.14 %。100 mA g-1電流密度下瀝青衍生硬炭在兩種電解液中的容量差值為63.76 mAh g-1，椰殼和樹脂衍生硬炭的容量差值分別為82.49 mAh g-1和113.37 mAh g-1。

圖1 、三種硬炭在EC/DEC和Diglyme電解液中電化學性能差異。

要點二：從界面角度探究電化學性能差異的原因

　　為探究差異不同的原因，三種硬碳分別做了電解液交換實驗。結果顯示瀝青衍生硬炭在EC/DEC 和Diglyme電解液中的倍率性能差異主要來自于脫溶劑化過程，椰殼衍生硬炭的倍率性能差異主要來自于SEI膜，樹脂衍生硬炭則受SEI膜和脫溶劑過程共同影響。進一步研究發現，瀝青衍生硬炭在EC/DEC和Diglyme電解液中生成的SEI膜厚度和組分差異最小。主要表現為在兩種電解液中形成的SEI膜無機組分和有機組分占比更接近，且SEI膜的厚度差異在2 nm之內。椰殼和樹脂衍生硬炭在EC/DEC和Diglyme電解液中生成的SEI膜組分差異較大，且SEI膜厚度差異均大于2 nm。

圖2 三種硬炭的電解液交換實驗

圖3 三種硬炭在EC/DEC和Diglyme電解液中形成的SEI膜

要點三：從炭材料角度探究電化學性能差異的原因

　　SEI膜的生長過程往往受硬炭表面結構的影響。XRD、Raman、TEM與AFM結果都表明瀝青衍生硬炭表面缺陷最少、表面碳層排列最有序，樹脂衍生硬炭表面粗糙度最高、表面最無序。DFT計算揭示有序的硬炭對溶劑分子的吸附能低于無序的硬炭，表明有序的表面能夠減少與電解液的相互作用，從而最大程度地減少了副反應的發生。另外，表面更有序的硬炭對酯類和醚類溶劑的吸附能更接近，可調控兩種電解液中SEI 膜生長趨于一致，證明有序的表面結構能夠“中和”硬炭與酯類和醚類電解液之間的相互作用差異。證實了硬炭有序的表面結構使得其在EC/DEC和Diglyme電解液中形成組成與結構接近的SEI膜。

圖4 三種硬炭的表面結構

3小結與展望

　　綜上，本研究揭示了表面有序且缺陷少的鈉離子電池硬炭負極材料在酯類和醚類電解液中會形成結構組分相似的SEI膜，這使得界面反應過程主要受到脫溶劑過程而非SEI膜擴散的影響，從而降低硬炭在酯類和醚類電解液中電化學性能的差異。本工作闡明了硬炭微觀結構對其在酯類和醚類電解液中電化學性能差異的影響機理，為增強高性能鈉離子電池硬炭負極和電解液匹配性提供了理論指導。

文獻：

鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2026.148113

文章標題：Uncovering Electrochemical Performance in Ester and Ether Electrolytes in Sodium-ion Batteries from Interfacial Perspective of Hard Carbon Anodes

第一作者：洪燦燦

通訊作者：陳景鵬，蘇方遠

單位：中國科學院山西煤炭化學研究所

來源：材料分析與應用