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郑大陈卫华团队采用QCM-D 技术助力钠离子电池电解液研究新突破

更新时间:2025-07-18      点击次数:174

用户成果 | 郑州大学陈卫华团队《Nature CommunicationsQSense QCM-D 技术助力钠离子电池电解液研究新突破

 

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在新能源领域,钠离子电池因其资源丰富、成本低廉等优势,被视为未来大规模储能的理想选择。然而,电解液的稳定性一直是制约钠离子电池发展的关键因素之一。近期,郑州大学陈卫华团队以“Locking-chain electrolyte additive enabling moisture-tolerant electrolytes for sodium-ion batteries"为题,在《Nature Communications》上发表相关研究,通过创新性地使用 QSense QCM-D 技术,深入解析了新型电解液添加剂对钠离子电池性能的提升机制,为这一领域带来了新的突破。

 

研究背景:电解液的“痛点"

 

钠离子电池在充放电过程中,电解液与电极之间的界面稳定性至关重要。然而,传统电解液由于存在微量水分(HO),容易引发电解液的分解和电极的腐蚀,导致电池性能迅速下降。此外,形成的固体电解质界面(SEI)不稳定,进一步加剧了电池的老化问题。如何优化电解液,使其在高湿度环境下仍能保持稳定,成为科研人员亟待解决的难题。

 

QSense QCM-D 技术:揭秘电解液-电极界面

 

在这项研究中,研究人员设计了一种新型的锁链"电解液添加剂——15PBS15-crown-5),并将其应用于钠离子电池电解液中。为了深入理解这种添加剂的作用机制,研究人员采用了 QSense QCM-D 技术,这是一种能够实时监测界面相互作用的强大工具。

 

QSense QCM-D 技术通过测量石英晶体的频率(Δf)和耗散(ΔD)变化,可以精确地检测到电解液与电极表面之间的相互作用。在实验中,研究人员利用 QSense QCM-D 实时监测电解液在电极表面的吸附分解过程。

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1:带有锁定链15PBS电解质添加剂HC负极上不溶性SEI

 

实验结果显示,当电解液中含有 15PBS 时,电极表面的频率(Δf)和耗散(ΔD)变化显著不同于传统电解液。具体来说,15PBS 的存在抑制水催化电解液在电极表面的分解,且参与形成更加致密、均匀的富含硫化物的SEI 层。这种致密的 SEI 层有效地阻止了电解液与电极之间的直接接触,从而抑制了电解液的过度分解SEI的溶解和再生

 

实验结果:性能显著提升

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2:NNM正极上使用锁定链15PBS电解质添加剂的稳定CEI

 

通过 QSense QCM-D 技术的监测,研究人员发现,使用 15PBS 电解液的钠离子电池在多个关键性能指标上都取得了显著提升:

 

1. 循环稳定性显著增强:在 500 mA g¹ 的电流密度下,使用 15PBS 电解液的硬碳 | Na.₇₂Ni.₃₂Mn.₆₈O 全电池能够稳定循环 2000 次,容量保持率高达 89.5%,而传统电解液的电池在相同条件下容量保持率仅为 79.9%

 

2. 高倍率性能优异:在高电流密度(如 600 mA g¹)下,使用 15PBS 电解液的正极材料(NNM)仍能保持较高的放电容量(55.4 mAh g¹),远优于传统电解液。

 

3. 界面稳定性提升:通过 QSense QCM-D 技术监测到的 SEI 层的稳定性和均匀性,表明 15PBS 电解液能够有效抑制界面副反应,延长电池寿命。

 

总结及QCM-D 技术的关键作用

 

总之,作者设计了一种锁定链15PBS添加剂,以优化从相到界面的电解质。15PBS捕获微量H2O以防止电解质腐蚀,并形成稳定的SEI/CEI,以实现可持续的高能量密度SIBMD模拟显示,15PBS降低了Na溶剂化壳中与EC的配位数,加速Na+去溶剂化,减少电极界面上的溶剂积累。吸附在HC负极上的锁定链15PBS通过排除EDL中的EC/DECH2O来抑制寄生界面生长,这降低了活性分子(ci)的局部浓度,从而减轻了高极性溶剂衍生的SEI(高Pr)的形成。因此,优先分解的15PBS形成了富含苯基/硫化物成分(RSO3RNa2SO3Na2S)的薄(10 nm,低温TEMSEI,以确保高离子电导率,从而增强动力学。经原位EQCM和原位DEMS证实,机械韧性SEI具有良好的电子绝缘性,即使在高温下也能有效抑制SEI在循环过程中的溶解和再生。电解质消耗的减少和气体释放的抑制协同提高了循环寿命和安全性。

 

这项研究不仅展示了 15PBS 电解液添加剂在提升钠离子电池性能方面的巨大潜力,更凸显了 QSense QCM-D 技术在解析电解液-电极界面相互作用中的关键作用。通过实时监测界面动态变化,研究人员能够深入理解添加剂的作用机制,并据此优化电解液配方,为钠离子电池的商业化应用提供了重要的理论支持和实践指导。

 

QSense QCM-D 技术以其高灵敏度和实时监测能力,为新能源材料的研究提供了强有力的工具,助力科研人员在电池技术领域不断取得新的突破。

 

基金支持

国家自然科学基金(U24A20566, 22279121)、尧山实验室开放课题计划(2024002)国家重点研发计划(No. 2023YFB3809500)河南省科技研发联合基金(222301420009)河南省重点研发计划(231111241400)郑州大学基金项目为该研究提供了重要的资金支持。

原文链接

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

 


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