電解液是儲(chǔ)能電池不可或缺的重要組成部分，而調(diào)控電解液濃度是實(shí)現(xiàn)其功能化設(shè)計(jì)的有效策略之一。近年來，高鹽濃度電解液因其特殊的體相與界面特性被廣泛用于金屬鋰電池、水系電池等（本課題組曾于2013年首次提出“Solvent-in-Salt”電解液用于金屬鋰電池，Nature Communications 2013, 4, 1481，引用1224次）。但與此相反，降低鹽濃度可能會(huì)帶來濃差極化，所以目前實(shí)際鋰電池應(yīng)用大多集中于標(biāo)準(zhǔn)的1 M濃度，從而使得低鹽濃度電解液一直沒有得到系統(tǒng)的研究。鈉離子的Stokes半徑和脫溶劑化能均比鋰離子的要低，因此理論上采用較低的鈉鹽濃度也可實(shí)現(xiàn)足夠的動(dòng)力學(xué)性能，從而使得超低鹽濃度電解液應(yīng)用于鈉離子電池成為可能�？紤]到鹽的成本通常是溶劑的十倍以上，減少鈉鹽使用可以有效降低鈉離子電池的成本，從而有利于鈉離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

 

　　 近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室E01組博士生李鈺琦和楊佯在胡勇勝研究員、陸雅翔副研究員的指導(dǎo)下，將六氟磷酸鈉（NaPF6）溶解于碳酸乙烯酯（EC）和碳酸丙烯酯（PC），首次設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用至鈉離子全電池的低鹽濃度電解液（0.3 M濃度）。得益于電解液的低粘度、低氫氟酸腐蝕以及形成的富含有機(jī)成分的固體電解質(zhì)中間相等（對(duì)比1 M濃度），電池工作溫度窗口得到明顯的拓寬（-30至55°C）。中科海鈉科技有限責(zé)任公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了基于低鹽濃度電解液的Ah級(jí)電芯，3000周后容量保持率80%以上。低鹽濃度電解液概念的提出為可充式電池在極端條件下穩(wěn)定運(yùn)行提供了新思路，未來低鹽濃度電解液概念有望擴(kuò)展到其他的電解質(zhì)體系及其他低成本儲(chǔ)能電池。

 

　　 該研究結(jié)果近日以“Ultralow-Concentration Electrolyte for Na-Ion Batteries”為題發(fā)表在國(guó)際能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)能源快報(bào)》（ACS Energy Letters）上。

 

　　 相關(guān)工作得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(51725206)、中國(guó)科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA21070500）和長(zhǎng)三角物理研究中心的支持。

圖1：低鹽濃度電解液基鈉離子全電池示意圖

圖2：預(yù)估的不同鹽濃度下電解液成本（假設(shè)鹽是溶劑價(jià)格的11倍，按最高值歸一化）

圖3：（a）不同濃度電解液特性變化、分子/離子之間的相互作用以及界面膜成分的相關(guān)變化。（b）NaPF6 in EC/PC電解質(zhì)在25°C和0°C下離子電導(dǎo)率和粘度的濃度相關(guān)性。（c）在25°C以0.3C（30 mA g-1）的電流密度使用不同濃度的電解液的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖4：（a和b）使用0.3 M和1 M電解液在0°C，25°C和55°C下電池的電化學(xué)性能。（a）0.1 C首周充放電曲線。相關(guān)的首周庫(kù)侖效率在括號(hào)中注明。（b）0.3C的循環(huán)穩(wěn)定性。（c和d）帶有Ar+蝕刻的XPS測(cè)試分析電池以0.1C倍率循環(huán)一圈后電極表面鈍化化學(xué)。 在（c）負(fù)極界面膜和（d）正極界面膜上檢測(cè)到的C（C 1s）+ O（O 1s）和P（P 2p）+ F（F 1s）元素的原子比。

圖5：低鹽濃度電解液在鈉離子電池Ah級(jí)電芯中放大驗(yàn)證