钠离子电池电解液添加剂的研究进展

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2024.05.008

摘要/Abstract

摘要：

随着锂离子电池价格的显著上涨，低成本、高能效的钠离子电池引起了广泛关注。电解液作为连接钠离子电池正负极材料的桥梁，具有至关重要的作用。针对不同电极材料构建适合的电解液体系，可以有效地提升钠离子电池的首次库伦效率、循环稳定性以及倍率性能。阐述了各类电解液添加剂在钠离子电池体系中的研究进展，并探讨了界面膜的形成机理；对未来电解液添加剂的研究方向进行了展望。

关键词: 钠离子电池, 电解液, 添加剂, 界面膜

Abstract:

With the significant increase in the price of lithium?ion batteries,low-cost,energy-efficient sodium-ion batteries have attracted widespread attention.As a bridge connecting the positive and negative materials of sodium ion batteries,the electrolyte plays a crucial role.The first coulomb efficiency,cycle stability and rate performance of sodium?ion batteries can be effectively improved by constructing suitable electrolytic liquid system for different electrode materials.In this paper,the research progress of various electrolyte additives in sodium?ion battery systems,the formation mechanism of interface film and the future research direction of electrolyte additives have been discussed.

Key words: Sodium-ion battery, Electrolyte, Additives, Interface film

中图分类号:

TQ150

赵恩锋, 武宏大, 蔡天凤, 杨占旭. 钠离子电池电解液添加剂的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(5): 65-72.

Enfeng ZHAO, Hongda WU, Tianfeng CAI, Zhanxu YANG. Research Progress of Electrolyte Additives for Sodium⁃Ion Batteries[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2024, 37(5): 65-72.

图/表 6

图1 pp14的合成方法

Fig.1 Synthesis method of pp14

图2 Na?HC半电池在不同电解液中的dQ/dV曲线

Fig.2 dQ/dV curves of Na?HC half cell in different electrolytes

图3 NaBOB在NMP、TMP及NMP/TMP中的性能示意图

Fig.3 Performance diagram of NaBOB in NMP,TMP and NMP/TMP

图4 1 mol/L的NaPF6?EC/DMC电解液中添加质量分数为1%的NaDFP前后电解液的计时电位图

Fig.4 Chronopotentiogram of 1 mol/L NaPF6?EC/DMC electrolyte and the electrolyte befor and after adding mass fraction 1% NaDFP

图5 1 mol/L的LiPF6?EC/DMC/EMC电解液中添加质量分数为0.2%的SDPN前后电解液的循环性能及库仑效率

Fig.5 Cycle performance and coulomb efficiency of 1 mol/L LiPF6?EC/DMC/EMC electrolyte and the electrolyte after adding mass fraction 0.2% SDPN

图6 Li||NCM811电池在不同LiHMDS添加量时的循环性能

Fig.6 Cycling performance of Li||NCM811 cells with different amount of LiHMDS

参考文献 47

1	余嘉俊，赵爽，冯霄.膜分离技术在盐湖提锂应用中的研究进展［J］.辽宁石油化工大学学报，2023，43（4）：30⁃35.
	YU J J，ZHAO S，FENG X.Research progress of membrane separation technology in salt lake lithium extraction［J］.Journal of Liaoning Petrochemical University，2023，43（4）：30⁃35.
2	WANG S L，WANG C，TAKYI⁃ANINAKWA P，et al.An improved parameter identification and radial basis correction⁃differential support vector machine strategies for state⁃of⁃charge estimation of urban⁃transportation⁃electric⁃vehicle lithium⁃ion batteries［J］.Journal of Energy Storage，2024，80：110222.
3	WANG X F，HE W J，XUE H L，et al.A nonflammable phosphate⁃based localized high⁃concentration electrolyte for safe and high⁃voltage lithium metal batteries［J］.Sustainable Energy & Fuels，2022，6（5）：1281⁃1288.
4	ZHAO S Y，SHI Q H，QI R J，et al.NaTi₂（PO₄）₃ modified O₃⁃type NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂ as high rate and air stable cathode for sodium⁃ion batteries［J］.Electrochimica Acta，2023，441：141859.
5	张博，郄佳鑫，曹永安，等.基于可视化分析辅助探究钠离子电池硬碳负极研究进展［J］.石油化工高等学校学报，2022，35（6）：1⁃9.
	ZHANG B，XI J X，CAO Y A，et al.Research progress of hard carbon anode of sodium⁃ion batteries based on visualization analysis［J］.Journal of Petrochemical Universities，2022，35（6）：1⁃9.
6	GOIKOLEA E，PALOMARES V，WANG S J，et al.Na⁃ion batteries⁃approaching old and new challenges［J］.Advanced Energy Materials，2020，10（44）：2002055.
7	LI C C，XU H Y，NI L，et al.Nonaqueous liquid electrolytes for sodium⁃ion batteries：Fundamentals，progress and perspectives［J］.Advanced Energy Materials，2023，13（40）：2301758.
8	TURGEMAN M，WINEMAN⁃FISHER V，MALCHIK F，et al.A cost⁃effective water⁃in⁃salt electrolyte enables highly stable operation of a 2.15⁃V aqueous lithium⁃ion battery［J］.Cell Reports Physical Science，2022，3（1）：100688.
9	LIN R，KE C M，CHEN J E，et al.Asymmetric donor⁃acceptor molecule⁃regulated core⁃shell⁃solvation electrolyte for high⁃voltage aqueous batteries［J］.Joule，2022，6（2）：399⁃417.
10	李冰雁，李晨，游晨，等.磷石膏堆场区域水环境中主要污染物分布特征及其风险评价［J］.化工环保，2024，44（2）：279⁃285.
	LI B Y，LI C，YOU C，et al.Distribution characteristics and risk assessment of major pollutants in regional water environment of phosphogypsum yard［J］.Environmental Protection of Chemical Industry，2024，44（2）：279⁃285.
11	夏恒恒，梁鹏程，安仲勋.硫系电解液添加剂对镍钴锰酸锂//石墨锂离子电池性能的影响［J］.储能科学与技术，2023，12（8）：2390⁃2400.
	XIA H H，LIANG P C，AN Z X.Effects of sulfur⁃containing electrolyte additives on the performance of lithium nickel cobalt manganese oxide//graphite Li⁃ion batteries［J］.Energy Storage Science and Technology，2023，12（8）：2390⁃2400.
12	禇艳丽，董庆雨，毛亚云，等.五氟乙氧基环三磷腈添加剂对钠离子电池性能的影响［J］.现代化工，2020，40（4）：78⁃83.
	CHU Y L，DONG Q Y，MAO Y Y，et al.Effect of FPN additive on performance of sodium ion batteries［J］.Modern Chemical Industry，2020，40（4）：78⁃83.
13	靳爱民.斯坦福大学研发不易燃的锂离子电池［J］.石油炼制与化工，2023，54（3）：13.
	JIN A M.Selection and comparative analysis of hydrogenation unit in ltag process［J］.Petroleum Processing and Petrochemicals，2023，54（3）：13.
14	YU Y，CHE H Y，YANG X R，et al.Non⁃flammable organic electrolyte for sodium⁃ion batteries［J］.Electrochemistry Communications，2020，110：106635.
15	孟嘉祺，贾国凤，杨红军，等.哌啶基离子液体在钠离子电池中的高温性能研究［J］.盐湖研究，2024，32（4）：46⁃51.
	MENG J Q，JIA G F，YANG H J，et al.High temperaure perfonmnnce study of piperidine⁃based lonic liquids in sodium lon batteries［J］.Journal of Salt Lake Research，2024，32（4）：46⁃51.
16	PELED E.The electrochemical behavior of alkali and alkaline earth metals in nonaqueous battery systems：The solid electrolyte interphase model［J］.Journal of the Electrochemical Society，1979，126（12）：2047.
17	MA X，FENG D Y，XIAO Y L，et al.Generating lithium fluoride⁃abundant interphase on layered lithium⁃rich oxide cathode with lithium 1，1，2，2，3，3⁃hexafluoropropane⁃1，3⁃disulfonimide［J］.Journal of Power Sources，2021，507：230278.
18	RUI G，KIM K H，GALLANT B M，et al.Impact of LiF particle morphology on overpotential and structure of Li metal deposition［J］.Journal of the Electrochemical Society，2022，169（10）：100523.
19	KITZ P G，LACEY M J，NOVÁK P，et al.Operando investigation of the solid electrolyte interphase mechanical and transport properties formed from vinylene carbonate and fluoroethylene carbonate［J］.Journal of Power Sources，2020，477：228567.
20	EL KACEMI Z，FKHAR L，EL MAALAM K，et al.Enhancement of the Na₂FePO₄F@gC₃N₄ electrochemical performance in view of its implementation in sodium⁃ion batteries［J］.Solid State Ionics，2023，392：116167.
21	ZHENG X Y，WENG S T，LUO W，et al.Deciphering the role of fluoroethylene carbonate towards highly reversible sodium metal anodes［J］.Research，2022，9754612.
22	AURBACH D，MARKEVICH E，SALITRA G.High energy density rechargeable batteries based on Li metal anodes.The role of unique surface chemistry developed in solutions containing fluorinated organic co⁃solvents［J］.Journal of the American Chemical Society，2021，143（50）：21161⁃21176.
23	WANG X L，ZENG Z Q，ZHANG H，et al.1，3，5⁃Trifluorobenzene，an electrolyte additive with high thermal stability and superior film⁃forming properties for lithium⁃ion batteries［J］.Chemical Communications （Cambridge，England），2023，59（86）：12919⁃12922.
24	曾双威，李春雷，李世友，等.基于LiFSI和LiTFSI电解液对铝箔腐蚀的抑制方法［J］.现代化工，2019，39（1）：28⁃31.
	ZENG S W，LI C L，LI S Y，et al.Methods for suppressing aluminum foil corrosion by LiFSI and LiTFSI based electrolytes［J］.Modern Chemical Industry，2019，39（1）：28⁃31.
25	ZHANG S S.An unique lithium salt for the improved electrolyte of Li⁃ion battery［J］.Electrochemistry Communications，2006，8（9）：1423⁃1428.
26	JAMAL A，SALIAN G D，MATHEW A，et al.Tris （trimethylsilyl） phosphite and lithium difluoro （oxalato） borate as electrolyte additives for LiNi_0.5Mn_1.5O₄ graphite lithium⁃ion batteries［J］.ChemElectroChem，2023，10（16）：e202300139.
27	LAW H M，YU J，KWOK S C T，et al.A hybrid dual⁃salt polymer electrolyte for sodium metal batteries with stable room temperature cycling performance［J］.Energy Storage Materials，2022，46：182⁃191.
28	MOGENSEN R，BUCKEL A，COLBIN S，et al.A wide⁃temperature⁃range，low⁃cost，fluorine⁃free battery electrolyte based on sodium bis （oxalate） borate［J］.Chemistry of Materials，2021，33（4）：1130⁃1139.
29	ZENG Z Q，JIANG X Y，LI R，et al.A safer sodium⁃ion battery based on nonflammable organic phosphate electrolyte［J］.Advanced Science （Weinheim，Baden⁃Wurttemberg，Germany），2016，3（9）：1600066.
30	ZHENG J M，ENGELHARD M H，MEI D H，et al.Electrolyte additive enabled fast charging and stable cycling lithium metal batteries［J］.Nature Energy，2017，2（3）：17012.
31	SZCZĘSNA⁃CHRZAN A，SMOLIŃSKI M，ZYBERT M，et al.Development of titanium and yttrium doped sodium⁃cobalt oxide cathods and their behaviour in cells with electrolytes based on NaTDI Hückel salt with NaPF₆ salt additive［J］.Journal of Power Sources，2023，562：232761.
32	LIU S，ZHANG Q K，WANG X S，et al.LiFSI and LiDFBOP dual⁃salt electrolyte reinforces the solid electrolyte interphase on a lithium metal anode［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2020，12（30）：33719⁃33728.
33	YANG H，HWANG J，TONOUCHI Y，et al.Sodium difluorophosphate：Facile synthesis，structure，and electrochemical behavior as an additive for sodium⁃ion batteries［J］.Journal of Materials Chemistry A，2021，9（6）：3637⁃3647.
34	SONG G，YI Z L，SU F Y，et al.Boosting the low⁃temperature performance for Li⁃ion batteries in LiPF₆⁃based local high⁃concentration electrolyte［J］.ACS Energy Letters，2023，8（3）：1336⁃1343.
35	ZHENG X Y，FU H Y，HU C C，et al.Toward a stable sodium metal anode in carbonate electrolyte：A compact，inorganic alloy interface［J］.The Journal of Physical Chemistry Letters，2019，10（4）：707⁃714.
36	XU Z X，YANG J，ZHANG T，et al.Stable Na metal anode enabled by a reinforced multistructural SEI layer［J］.Advanced Functional Materials，2019，29（27）：1901924.
37	JIAO S H，REN X D，CAO R G，et al.Stable cycling of high⁃voltage lithium metal batteries in ether electrolytes［J］.Nature Energy，2018，3（9）：739⁃746.
38	杨明山，刘建伟，于今，等.锂离子电池用磷腈类聚合物电解质的制备与性能［J］.石油化工高等学校学报，2010，23（1）：1⁃5.
	YANG M S，LIU J W，YU J，et al.The preparation and properties of phosphazene polymer electrolyte for lithium ion battery［J］.Journal of Petrochemical Universities，2010，23（1）：1⁃5.
39	QIU Y J，LU D S，GAI Y Y，et al.Adiponitrile （ADN）：A stabilizer for the LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ （NCM811） electrode/electrolyte interface of a graphite/NCM811 Li⁃ion cell［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2022，14（9）：11398⁃11407.
40	ZHENG X Z，HUANG T，PAN Y，et al.3，3′⁃sulfonyldipropionitrile：A novel electrolyte additive that can augment the high⁃voltage performance of LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂/graphite batteries［J］.Journal of Power Sources，2016，319：116⁃123.
41	LI X，LI W K，CHEN L，et al.Ethoxy （pentafluoro） cyclotriphosphazene （PFPN） as a multi⁃functional flame retardant electrolyte additive for lithium⁃ion batteries［J］.Journal of Power Sources，2018，378：707⁃716.
42	FANG S，ZHANG Y，LIU X.Lithium anode in carbonate⁃based electrolyte：High⁃performance by self⁃protected solid⁃electrolyte⁃interphase［J］.Chemical Engineering Journal，2021，426：131880.
43	ZHANG D F，LIU M，MA J B，et al.Lithium hexamethyldisilazide as electrolyte additive for efficient cycling of high⁃voltage non⁃aqueous lithium metal batteries［J］.Nature Communications，2022，13（1）：6966.
44	CHEN L，KISHORE B，SONG T F，et al.Improved lifetime of Na⁃ion batteries with a water⁃scavenging electrolyte additive［J］.Frontiers in Energy Research，2022，10：925430.
45	雷盈，谢宇翔，戴棚，等.七氟丁酸酐电解液添加剂提升锂金属负极性能［J］.厦门大学学报（自然科学版），2022，61（5）：794⁃799.
	LEI Y，XIE Y X，DAI P，et al.Heptafluorobutyric anhydride as an electrolyte additive to improve the performance of lithium metal anode［J］.Journal of Xiamen University（Natural Science），2022，61（5）：794⁃799.
46	DAI P，SHI C G，HUANG Z，et al.A new film⁃forming electrolyte additive in enhancing the interface of layered cathode and cycling life of sodium ion batteries［J］.Energy Storage Materials，2023，56：551⁃561.
47	ZHANG W G，ZENG F H，HUANG H J，et al.Enhanced interphasial stability of hard carbon for sodium⁃ion battery via film⁃forming electrolyte additive［J］.Nano Research，2023，16（3）：3823⁃3831.

[1]	盛大伟, DIN HASEEB UD, 张济原, 刘晓旭. 还原氧化石墨烯微观结构调控及储钠性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(6): 48-56.
[2]	贺柳洋, 李晓杰, 王婵, 段春阳. 石墨烯掺杂对三元钠离子电池正极材料电化学性能的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(6): 64-72.
[3]	张博, 郄佳鑫, 曹永安, 赵久成, 吴军, 王文举. 基于可视化分析辅助探究钠离子电池硬碳负极研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(6): 1-9.
[4]	游济远, 曹永安, 孟绍良, 赵久成, 吴军, 王文举. 钠离子电池正极材料研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(2): 1-8.
[5]	郝晓倩, 沙畅畅, 曹永安, 王文举. 锂硫电池电解液添加剂的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(1): 1-6.
[6]	赵欣,邱正松,邢希金,周国伟. 深水钻井液添加剂抑制气体水合物生成实验[J]. 石油化工高等学校学报, 2013, 26(5): 42-45.
[7]	毕恒茂,陈文艺,李玉庆,王海彦. 几种添加剂对环丁砜热稳定性的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(6): 67-70.