...全方位解析钠离子电解液溶剂化结构原理、设计准则、电化学行为- 电...
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发布时间：2024-09-25 16:13
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时间：2024-10-03 12:06
在钠离子电池(SIB)的研究领域，对电解液溶剂化结构的深入剖析揭示了性能优化的关键。文章着重于理解溶剂化结构的形成机制，以及金属盐、溶剂和添加剂如何共同作用，以实现SIB的卓越性能。理想的电解液需具备溶解度高、离子传导性强、稳定的固-电解质界面(SEI)等特性。
文章核心探讨了钠盐的理想特性，如电化学稳定性，其阴离子的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)水平对性能至关重要。例如，NaPF6因其出色的平衡性，被广泛认为是最佳阴离子选择。有机溶剂的影响同样关键，如电导率、SEI形成和溶剂化结构的稳定性，理想溶剂需具有高介电常数、低粘度和适度的酸碱性。
离子的流动性受溶剂粘度的严格控制，低粘度可以提高电导率。设计SIB电解液时，必须考虑溶剂的电化学稳定性，HOMO和LUMO能级影响电子交换过程。理想的溶剂需具备低熔点、高沸点以及低毒性，以适应极端条件并保证安全。添加剂如FEC虽然常见，但在DFEC、ES和VC等特定情况下，可能带来不同的效果，它们在SEI形成、离子传导和稳定性调节中扮演重要角色。
通过Fard等人的研究，不同溶剂对Na+的几何影响得以量化，如EC中Na+周围有5个分子，而VC中为3个。电解质中的配位键、范德华力以及溶剂化结构模型，如图7所示，对电池性能起决定性作用。图中显示，Na+在EC中的稳定性最强，而在DEC中较弱，溶解行为受溶剂的介电常数影响。</
溶剂溶解能力的排序揭示了不同化合物的特性，如APN> DMSO> PC> EC> DEC> ATN> NM，而碳酸盐表现出适度性能。通过调整化学硬度、静电势和溶解能，可以优化电解液性能。溶剂化过程对电化学性能的改变，涉及离子的溶解、迁移和去溶剂化，这些过程受到阳离子-溶剂、溶剂-溶剂以及阳离子-阴离子之间的复杂相互作用影响。
电解质设计的优化策略在于精细调整阳离子、溶剂和阴离子的组合，比如WCAs设计原则，强调低电荷分散，以增强溶解和防止离子对形成。化学稳定性和极化率的选择，如氟化物，对动力学性能提升至关重要，尽管开发过程尚有挑战。阴离子受体添加剂通过改变配位结构来改善性能，但需谨慎处理，以防止电解质分解的风险。
多元溶剂混合可以互补优势，如EC/DEC的搭配优化阳离子流动性，而DMSO/H2O的混合则通过溶解机制优化电池性能。电解质浓度的调整不仅影响溶解行为，还可能影响电池的性能，如过高可能导致副反应和SEI结构变化。
高浓度电解质虽然能优化Na+扩散，但成本高且粘度大，为此，超低浓度电解质策略成为解决方案。溶剂化结构的表征技术，如FTIR、拉曼光谱和NMR，以及理论模拟如RDF和PMF，是理解并优化电解液性能的重要工具。在《Advanced Science》的综述中，明军研究员深入探讨了钠离子电池电解液的溶剂化结构设计，全面解析了其内在原理、设计准则，以及对电化学行为的深远影响。
