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

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

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（H₂O），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——15PBS（15-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。

图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及SEI的溶解和再生。

实验结果：性能显著提升

图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 g⁻¹ 的电流密度下，使用 15PBS 电解液的硬碳 | Na₀.₇₂Ni₀.₃₂Mn₀.₆₈O₂ 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 g⁻¹）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 g⁻¹），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SIB。MD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/DEC和H₂O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（RSO₃R、Na₂SO₃、Na₂S）的薄（10 nm，低温TEM）SEI，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）、郑州大学等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