無負(fù)極可充電鈉電池是高能量“超鋰”電化學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)的終極選擇之一。由于僅使用正極的活性Na離子，無負(fù)極電池的循環(huán)壽命通常有限，因?yàn)椴环€(wěn)定的電解質(zhì)化學(xué)會(huì)阻礙負(fù)極的有效鍍/剝離Na和層狀氧化物正極的高壓操作。合理設(shè)計(jì)電解液以提高其與電極的相容性是實(shí)現(xiàn)電池的關(guān)鍵。

在此，中科院化學(xué)所萬立駿院士、郭玉國等人通過細(xì)化兩種傳統(tǒng)線性醚溶劑的體積比，二元電解質(zhì)形成陽離子溶劑化結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有助于Na金屬在負(fù)極集流體上平坦生長(zhǎng)，并適用于P2-/O3型層狀氧化物正極的高電壓Na（de）嵌入和Na₂C₂O₄補(bǔ)充劑的氧化分解。

無機(jī)氟化物，如氟化鈉，對(duì)金屬鈉的電鍍圖案和負(fù)極-電解質(zhì)界面上電鍍金屬的有效鈍化有著重要影響。基于精煉電解質(zhì)的無負(fù)極電池已證明具有高庫侖效率、長(zhǎng)循環(huán)壽命以及聲稱電池級(jí)比能>300 Wh/kg的能力。

圖1. 電池性能

總之，該工作通過調(diào)控共溶劑的化學(xué)組成，二元醚電解質(zhì)具有的抗還原和抗氧化的溶劑化結(jié)構(gòu)使其獲得足夠大的電壓窗口，為構(gòu)建高能電池奠定了基礎(chǔ)。在1 M的NaPF₆鹽中，在Al?C集流體表面電沉積Na時(shí)，電解質(zhì)促進(jìn)了富NaF的SEI的產(chǎn)生有助于無枝晶的平面外延金屬生長(zhǎng)。在正極側(cè)，電解質(zhì)與高壓(非)電荷的P2/ O3層狀氧化物材料兼容。

使用該電解質(zhì)組裝的無負(fù)極鈉離子電池，電池比能量超過300 Wh/kg，在材料成本和資源可持續(xù)性方面優(yōu)于石墨||LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂電池。優(yōu)化電解質(zhì)結(jié)構(gòu)和界面化學(xué)的設(shè)計(jì)策略可以應(yīng)用于具有類似工作機(jī)制的其他電化學(xué)體系，從而促進(jìn)高能可充電電池的研究和開發(fā)。

圖2. 溶劑化結(jié)構(gòu)

Refined Electrolyte and Interfacial Chemistry toward Realization of High-Energy Anode-Free Rechargeable Sodium Batteries, Journal of the American Chemical Society 2023 DOI: 10.1021/jacs.3c07804