【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】新能源電力資源錯配和消納等問題的存在迫切需要低成本高穩(wěn)定儲能技術(shù)的發(fā)展，新型電力系統(tǒng)的長周期儲能方式仍在持續(xù)探索中。以低成本硫和鈉為電極的高溫鈉硫電池在大規(guī)模儲能中已有數(shù)十年的商業(yè)化應(yīng)用，然而硫的利用率不足以及使用熔融態(tài)電極帶來的高維護成本和安全性隱患，限制了其進一步的推廣應(yīng)用。室溫鈉硫(RT Na-S)電池可在常溫下運行，提供了更安全、低成本的解決方案，但電極與電解液相間的復(fù)雜問題帶來了諸多挑戰(zhàn)，如穿梭效應(yīng)、鈉枝晶的生長、SEI/CEI的不穩(wěn)定形成等，阻礙了開發(fā)長期穩(wěn)定安全的儲能室溫鈉硫電池的進程。當前的相關(guān)研究主要集中在硫正極納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及負極表面保護等策略，并取得了許多積極進展。在常規(guī)的低成本硫碳正極體系中的問題解決，對于室溫鈉硫電池的規(guī)模化應(yīng)用有著重要意義，需要在深入理解室溫鈉硫電池問題的基礎(chǔ)上，通過電解液工程協(xié)同解決以上問題。
 

　　近日，中國科學(xué)院蘇州納米所吳曉東研究員、河海大學(xué)許晶晶教授與中國科學(xué)院物理研究所李泓研究員等人在 Advanced Energy Materials 期刊上以 Interphase-Regulated Room-Temperature Sodium-Sulfur Batteries Enabled by a Nonflammable Dual-Functional Electrolyte 為題，提出了一種不可燃的雙功能離子液體基電解液，首次將離子液體作為室溫鈉硫電池電解液的主要溶劑，并對其在界面處的作用機制進行了深入的研究。通過合理的電解液工程設(shè)計和多重表征技術(shù)，深入揭示了離子液體電解液在室溫鈉硫電池的雙功能特性以及活性硫物種的轉(zhuǎn)化機制。以電解液為突破口，為高性能室溫鈉硫電池的開發(fā)提供了新的思路。
 

　　離子液體是一類由離子組成、在室溫下處于液態(tài)的鹽物質(zhì)，具有低揮發(fā)性、高熱穩(wěn)定性、高電化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的離子導(dǎo)電能力等特點，其陰陽離子有著靈活的組合形式，是十分理想的電解液綠色溶劑。其固有的不可燃性和抑制枝晶生長的能力使其與活性鈉金屬負極高度兼容，保證了室溫鈉硫電池優(yōu)越的安全性。離子液體電解液大量可調(diào)節(jié)的離子促使陽離子和陰離子共同參與，形成了以氟化物、氮化物等無機組分為主的更穩(wěn)定的SEI/CEI層，并在正負極側(cè)產(chǎn)生了“雙功能”特性。在正極側(cè)，F(xiàn)SI-/TFSI-和FEC協(xié)同參與了與多硫化鈉親核加成反應(yīng)，自發(fā)地形成了致密均勻的正極電解質(zhì)界面(CEI)。利用高導(dǎo)電性無機NaF顆粒調(diào)控S@C正極表面結(jié)構(gòu)，有效降低電極與電解質(zhì)之間的界面阻抗，保證了快速轉(zhuǎn)化動力學(xué)，顯著提高了室溫鈉硫電池性能。在負極側(cè)，離子液體豐富的FSI-有效地保障了以陰離子為主的固體電解質(zhì)界面(SEI)的形成。因此，該電解液展現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在0.2 A g-1電流下循環(huán)500圈后，剩余比容量超過560 mAh g-1，平均庫侖效率接近100%。這一發(fā)現(xiàn)揭示了離子液體基電解液在室溫鈉硫電池中的應(yīng)用價值。
 

圖1. 電解液在鈉金屬負極側(cè)和硫復(fù)合正極側(cè)的“雙功能”成膜特性
 

圖2. 活性硫物種的固-固轉(zhuǎn)化特性分析
 

圖3. 組裝電池的電化學(xué)性能及與同領(lǐng)域工作對比
 

　　與現(xiàn)有的儲能系統(tǒng)相比，室溫鈉硫電池在成本和能量密度方面都顯示出巨大的潛力，但由于使用金屬鈉陽極所引發(fā)的安全問題是其實際應(yīng)用中的重要障礙。得益于本征的不可燃性及對多硫化鈉的低溶解度，離子液體基電解質(zhì)可能取代傳統(tǒng)的醚基和碳酸酯基電解質(zhì)，成為室溫鈉硫電池發(fā)展的“突破口”。團隊的初步研究結(jié)果表明，離子液體可以參與優(yōu)化室溫鈉硫電池的正/負極界面，對其電極-電解質(zhì)界面穩(wěn)定性和硫轉(zhuǎn)化有積極的影響。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，離子液體基電解液的成本可能進一步降低，從而進一步放大其在長效安全儲能電池中的應(yīng)用前景。
 

　　中國科學(xué)院蘇州納米所博士后劉洋和博士研究生魯蘇皖為論文的共同第一作者，通訊作者為河海大學(xué)許晶晶教授與中國科學(xué)院蘇州納米所吳曉東研究員。本工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金的項目支持，以及蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站(Nano-X)的技術(shù)協(xié)助。