探索氟代碳酸乙烯酯添加劑對鈉離子電池正極的影響

劉忠范

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

儲(chǔ)能技術(shù)已成為制約綠色新能源大規(guī)模開發(fā)利用的瓶頸技術(shù)，作為便攜式設(shè)備儲(chǔ)能領(lǐng)域最受歡迎的高能量密度鋰離子二次電池因受限于鋰資源儲(chǔ)量有限，難以在新能源大規(guī)模儲(chǔ)能市場中得以可持續(xù)發(fā)展1。因此，尋找可替代鋰離子電池的二次電池成為一種必然發(fā)展趨勢。鈉與鋰具有相似物理化學(xué)性能，且其儲(chǔ)量豐富，因此近幾年鈉離子電池成為大規(guī)模儲(chǔ)能市場的研究熱點(diǎn)2,3。然而受限于大的鈉離子脫嵌帶來的體積變化等原因，鈉離子電池的循環(huán)壽命與實(shí)際應(yīng)用還有一定距離，近年來領(lǐng)域內(nèi)很多研究者致力于提高鈉離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性4,5。在電解液中加添加劑已在鋰離子電池中被證明是一種有效的提高電池循環(huán)穩(wěn)定性的重要方法6。氟代碳酸乙烯酯(FEC)作為一種電解液添加劑，具有較低的最低未被占據(jù)分子軌道(LUMO)能量，易優(yōu)先于其他電解液溶劑被還原，通常被認(rèn)為是很好的負(fù)極成膜添加劑，在鋰離子電池中得到廣泛應(yīng)用7，也在鈉離子電池中被證明對鈉負(fù)極具有很好的成膜作用8，然而，F(xiàn)EC對于鈉離子電池正極的影響(有害或有益)尚未被研究過。鑒于此，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所陳立桅、沈炎賓等人以FEC對鈉離子電池正極材料的影響為切入點(diǎn)，深入研究了FEC對于層狀鈉離子正極材料P2-NaxCo0.7Mn0.3O2的影響。

該工作已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)上在線發(fā)表(doi:10.3866/PKU.WHXB201811033)9。該工作結(jié)合電化學(xué)，形貌分析，化學(xué)成分表征，原位結(jié)構(gòu)分析等方法研究了FEC添加劑在鈉離子電池中的作用。作者發(fā)現(xiàn)適量的FEC添加劑不僅可以顯著抑制電解液溶劑PC的分解，而且會(huì)在正極上形成一層富NaF的保護(hù)層，提高循環(huán)過程中正極晶格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，F(xiàn)EC之所以能在正極上形成保護(hù)層，可能與其容易在正極界面與鈉鹽陰離子ClO-4結(jié)合反應(yīng)有關(guān)。該工作為對設(shè)計(jì)及開發(fā)新的二次電池電解液添加劑起到了很好的啟發(fā)作用。