清華新聞網(wǎng)8月28日電 鈉離子電池、鉀離子電池是大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能的重要研究方向，石墨負(fù)極作為這兩種新型電池體系的常用負(fù)極材料，在儲(chǔ)能過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變、自放電過(guò)程，以及石墨/電解液界面鈍化膜（SEI）的穩(wěn)定性等方面，仍有待深入研究。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院康飛宇教授、翟登云副教授團(tuán)隊(duì)在石墨負(fù)極的儲(chǔ)能和界面解析方面取得系列進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出協(xié)同式競(jìng)爭(zhēng)配位的電解液設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了共插層溶劑的尺寸和數(shù)量的同步降低，構(gòu)建了更靈活的四元插層化合物。在該電解液體系中，石墨負(fù)極具有更溫和的插層儲(chǔ)鈉機(jī)制并降低了配位溶劑的穩(wěn)定性，有效降低了共插層的電位。這一發(fā)現(xiàn)為電解液設(shè)計(jì)調(diào)控電位提供了新的思路，可用于篩選其他系列共溶劑。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)聚焦溶劑共插層環(huán)境下石墨負(fù)極的界面相穩(wěn)定性問(wèn)題，以日歷老化現(xiàn)象為研究工具，揭示了體積變化對(duì)界面相演變的影響。其中，以容量損失和庫(kù)倫效率變化作為兩項(xiàng)指標(biāo)，量化了插層相退化和SEI演變。
研究成果以“通過(guò)協(xié)同式競(jìng)爭(zhēng)配位機(jī)制調(diào)控鈉電石墨負(fù)極的共插層電位”（Synergistically competitive coordination for tailoring sodium cointercalation potential of graphite）為題，于8月15日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications），此前還曾以“石墨負(fù)極在日歷老化過(guò)程中的共插層相退化和醚基SEI演變”（Degradation of sodium co-intercalation chemistry and ether-derived interphase on graphite anodes during calendar aging）為題發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生王佳麗為兩篇論文的第一作者，康飛宇和翟登云為論文通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的資助。
圖1. 通過(guò)協(xié)同式競(jìng)爭(zhēng)配位機(jī)制調(diào)控鈉電石墨負(fù)極共插層電位的示意圖
圖2.不同儲(chǔ)鈉階段日歷老化過(guò)程中石墨負(fù)極體積變化對(duì)相界面的影響
圖3.粘結(jié)劑的脫氟化氫過(guò)程對(duì)鉀離子電池石墨負(fù)極容量衰減的影響機(jī)制
圖4.鈉離子/鉀離子電池碳酸酯類(lèi)電解液條件下石墨負(fù)極SEI形成的反應(yīng)路徑
另外，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)石墨負(fù)極在鉀離子電池循環(huán)過(guò)程中的容量衰減機(jī)理，深入分析了石墨負(fù)極SEI的化學(xué)組分和電化學(xué)形成機(jī)理，形成“鉀電石墨負(fù)極”系列研究成果。該系列研究首先指出，作為鉀離子電池負(fù)極，影響石墨存儲(chǔ)容量衰減的關(guān)鍵因素不是鉀離子嵌入引起的石墨體積變化，而是石墨界面SEI的穩(wěn)定性。接著，團(tuán)隊(duì)利用液相核磁譜學(xué)技術(shù)，解析出碳酸酯類(lèi)電解液下石墨容量衰減的主要原因——中間產(chǎn)物醇鹽引發(fā)的溶液相鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致大量有機(jī)低聚物在石墨界面的持續(xù)堆積，并提出了可能的反應(yīng)路徑。最后，研究進(jìn)一步指出石墨負(fù)極中粘結(jié)劑對(duì)電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵作用，揭示出聚偏二氟乙烯粘結(jié)劑的脫氟化氫過(guò)程加劇了石墨負(fù)極的容量衰減。
該系列成果的第一篇以“揭示粘結(jié)劑的脫氟化氫過(guò)程對(duì)鉀離子電池石墨負(fù)極容量衰減的影響機(jī)制”（Unveiling the Influence of Dehydrofluorination of Poly (vinylidene fluoride) Binder on the Failure of Graphite Anode in Potassium‐ion Batteries）為題，發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上；第二篇以“揭示鈉/鉀離子電池石墨負(fù)極SEI的形成機(jī)理”（Deciphering the formation and accumulation of solid-electrolyte interphases in Na and K carbonate-based batteries）為題，發(fā)表于《納米快報(bào)》（Nano Letters）；第三篇以“揭示影響鉀離子電池石墨負(fù)極容量衰減的關(guān)鍵因素”（Key factor determining the cyclic stability of the graphite anode in potassium-ion batteries）為題，發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》（ACS Nano）。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)碩士生顏陽(yáng)天、博士后胡俊洋和2019級(jí)碩士生袁馥為三篇論文的第一作者，康飛宇和翟登云為論文通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-63058-1
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
