用戶成果 | 鄭州大學(xué)陳衛(wèi)華團(tuán)隊《Nature Communications》QSense QCM-D 技術(shù)助力鈉離子電池電解液研究新突破

在新能源領(lǐng)域，鈉離子電池因其資源豐富、成本低廉等優(yōu)勢，被視為未來大規(guī)模儲能的理想選擇。然而，電解液的穩(wěn)定性一直是制約鈉離子電池發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。近期，鄭州大學(xué)陳衛(wèi)華團(tuán)隊以“Locking-chain electrolyte additive enabling moisture-tolerant electrolytes for sodium-ion batteries"為題，在《Nature Communications》上發(fā)表相關(guān)研究，通過創(chuàng)新性地使用 QSense QCM-D 技術(shù)，深入解析了新型電解液添加劑對鈉離子電池性能的提升機(jī)制，為這一領(lǐng)域帶來了新的突破。

研究背景：電解液的“痛點(diǎn)"

鈉離子電池在充放電過程中，電解液與電極之間的界面穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)電解液由于存在微量水分（H?O），容易引發(fā)電解液的分解和電極的腐蝕，導(dǎo)致電池性能迅速下降。此外，形成的固體電解質(zhì)界面（SEI）不穩(wěn)定，進(jìn)一步加劇了電池的老化問題。如何優(yōu)化電解液，使其在高濕度環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定，成為科研人員亟待解決的難題。

QSense QCM-D 技術(shù)：揭秘電解液-電極界面

在這項研究中，研究人員設(shè)計了一種新型的“鎖鏈"電解液添加劑——15PBS（15-crown-5），并將其應(yīng)用于鈉離子電池電解液中。為了深入理解這種添加劑的作用機(jī)制，研究人員采用了 QSense QCM-D 技術(shù)，這是一種能夠?qū)崟r監(jiān)測界面相互作用的強(qiáng)大工具。

QSense QCM-D 技術(shù)通過測量石英晶體的頻率（Δf）和耗散（ΔD）變化，可以精確地檢測到電解液與電極表面之間的相互作用。在實驗中，研究人員利用 QSense QCM-D 實時監(jiān)測電解液在電極表面的吸附分解過程。

圖1:帶有鎖定鏈15PBS電解質(zhì)添加劑HC負(fù)極上不溶性SEI。

實驗結(jié)果顯示，當(dāng)電解液中含有 15PBS 時，電極表面的頻率（Δf）和耗散（ΔD）變化顯著不同于傳統(tǒng)電解液。具體來說，15PBS 的存在抑制水催化電解液在電極表面的分解，且參與形成更加致密、均勻的富含硫化物的SEI 層。這種致密的 SEI 層有效地阻止了電解液與電極之間的直接接觸，從而抑制了電解液的過度分解及SEI的溶解和再生。

實驗結(jié)果：性能顯著提升

圖2:NNM正極上使用鎖定鏈15PBS電解質(zhì)添加劑的穩(wěn)定CEI

通過 QSense QCM-D 技術(shù)的監(jiān)測，研究人員發(fā)現(xiàn)，使用 15PBS 電解液的鈉離子電池在多個關(guān)鍵性能指標(biāo)上都取得了顯著提升：

1. 循環(huán)穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)：在 500 mA g?1 的電流密度下，使用 15PBS 電解液的硬碳 | Na?.??Ni?.??Mn?.??O? 全電池能夠穩(wěn)定循環(huán) 2000 次，容量保持率高達(dá) 89.5%，而傳統(tǒng)電解液的電池在相同條件下容量保持率僅為 79.9%。

2. 高倍率性能優(yōu)異：在高電流密度（如 600 mA g?1）下，使用 15PBS 電解液的正極材料（NNM）仍能保持較高的放電容量（55.4 mAh g?1），遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)電解液。

3. 界面穩(wěn)定性提升：通過 QSense QCM-D 技術(shù)監(jiān)測到的 SEI 層的穩(wěn)定性和均勻性，表明 15PBS 電解液能夠有效抑制界面副反應(yīng)，延長電池壽命。

總結(jié)及QCM-D 技術(shù)的關(guān)鍵作用

總之，作者設(shè)計了一種鎖定鏈15PBS添加劑，以優(yōu)化從相到界面的電解質(zhì)。15PBS捕獲微量H₂O以防止電解質(zhì)腐蝕，并形成穩(wěn)定的SEI/CEI，以實現(xiàn)可持續(xù)的高能量密度SIB。MD模擬顯示，15PBS降低了Na??溶劑化殼中與EC的配位數(shù)，加速Na+去溶劑化，減少電極界面上的溶劑積累。吸附在HC負(fù)極上的鎖定鏈15PBS通過排除EDL中的EC/DEC和H₂O來抑制寄生界面生長，這降低了活性分子（ci）的局部濃度，從而減輕了高極性溶劑衍生的SEI（高Pr）的形成。因此，優(yōu)先分解的15PBS形成了富含苯基/硫化物成分（RSO₃R、Na₂SO₃、Na₂S）的薄（10 nm，低溫TEM）SEI，以確保高離子電導(dǎo)率，從而增強(qiáng)動力學(xué)。經(jīng)原位EQCM和原位DEMS證實，機(jī)械韌性SEI具有良好的電子絕緣性，即使在高溫下也能有效抑制SEI在循環(huán)過程中的溶解和再生。電解質(zhì)消耗的減少和氣體釋放的抑制協(xié)同提高了循環(huán)壽命和安全性。

這項研究不僅展示了 15PBS 電解液添加劑在提升鈉離子電池性能方面的巨大潛力，更凸顯了 QSense QCM-D 技術(shù)在解析電解液-電極界面相互作用中的關(guān)鍵作用。通過實時監(jiān)測界面動態(tài)變化，研究人員能夠深入理解添加劑的作用機(jī)制，并據(jù)此優(yōu)化電解液配方，為鈉離子電池的商業(yè)化應(yīng)用提供了重要的理論支持和實踐指導(dǎo)。

QSense QCM-D 技術(shù)以其高靈敏度和實時監(jiān)測能力，為新能源材料的研究提供了強(qiáng)有力的工具，助力科研人員在電池技術(shù)領(lǐng)域不斷取得新的突破。

基金支持

國家自然科學(xué)基金（U24A20566, 22279121）、堯山實驗室開放課題計劃（2024002）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（No. 2023YFB3809500）、河南省科技研發(fā)聯(lián)合基金（222301420009）、河南省重點(diǎn)研發(fā)計劃（231111241400）、鄭州大學(xué)等基金項目為該研究提供了重要的資金支持。

原文鏈接

htt  ps://doi.org/10.1038/s41467-025-61603-6