摘要：钠离子电池（SIBs）作为锂离子电池（LIBs）在低成本储能系统中的替代方案，因其钠资源丰富且成本低廉而备受关注。更重要的是，由于溶剂化钠离子的Stokes半径较小，去溶剂化能较低，与锂离子电池相比，钠离子电池能够在低温下实现更优异的性能。然而，在极低温条件下

文章背景

钠离子电池（SIBs）作为锂离子电池（LIBs）在低成本储能系统中的替代方案，因其钠资源丰富且成本低廉而备受关注。更重要的是，由于溶剂化钠离子的Stokes半径较小，去溶剂化能较低，与锂离子电池相比，钠离子电池能够在低温下实现更优异的性能。然而，在极低温条件下，钠离子电池普遍存在容量衰减快和循环稳定性差的问题，这不可避免地阻碍了它们的广泛应用。钠离子电池在低温下性能不尽人意，主要是由与电解质中钠离子传输、电极-电解质界面处钠离子去溶剂化、界面层内钠离子移动以及电极内电子和钠离子传输相关的电荷转移限制所导致的。因此，迫切需要探索一种有效的策略来突破电荷转移限制，并揭示其在先进低温钠离子电池中的工作机制。

在这项研究中，通过碳纳米管改性的P2-Na₀.₆₇Mn₀.₆₇Ni₀.₃₃O₂（NMNO - CNTs）正极和四氢呋喃（THF）诱导的弱溶剂化电解质，揭示了低温钠离子电池（SIBs）的电荷转移限制。前者构建了具有增强电子导电性的稳健的钠离子传输通道，后者有利于形成富含阴离子的溶剂化鞘层，加速了钠离子去溶剂化过程，并形成了稳健的富含无机物的电极-电解质界面。得益于快速的电荷转移动力学,Na||NMNO-CNTs电池在 -40 °C下循环3600次后仍保持92.7%的高容量保持率,每循环衰减率为0.002%。

此外，硬碳||NMNO -CNTs全电池在800 mA g⁻¹时实现了创纪录的 2324.0 W kg⁻¹ 的高功率密度和262.7 Wh kg⁻¹ 的能量密度，并且在100 mA g⁻¹ 和 -40 °C下循环1500 次后具有 86.5% 的容量保持率，展现出其在实际应用中的巨大潜力。本文以“Unlocking Charge Transfer Limitation toward Advanced Low-Temperature Sodium-Ion Batteries”为题发表在《ACS Energy Letters》上，第一作者为Pengfei Zhou, Zhongjun Zhao,通讯作者为山东理工大学翁俊迎、牛之慧，伍伦贡大学王佳兆，温州大学李林。

主要内容

图1. (a) P2-Na₀.₆₇Mn₀.₆₇Ni₀.₃₃O₂ 材料的X 射线衍射（XRD）图谱，(b)该材料的扫描电子显微镜（SEM）图及能谱（EDS）图。(c) NMNO-CNTs 和NMNO-Super P的扫描电子显微镜图，(d) Nyquist图，以及(e) 充放电曲线。(f) NMNO-CNTs 在 -40 °C下的原位X射线衍射图谱，(g) 该材料在 -40 °C下的恒电流间歇滴定技术（GITT）结果。

图2.(a) 采用不同电解质的Na||NMNO-CNTs半电池的倍率性能。(b)含GT-0%电解质和(c)含GT-5%电解质的Na||NMNO-CNTs半电池的放电曲线。(d)含GT-5%电解质的Na||NMNO-CNTs半电池的放电中值电压、能量密度和功率密度。(e) 含 GT-0%和GT-5%电解质的Na||NMNO-CNTs半电池在200 mA g⁻¹电流密度下的长期循环性能。工作温度：−40 °C。

图3.(a, b)四氢呋喃（THF）改性电解质、六氟磷酸钠（NaPF₆ ）粉末、纯四氢呋喃以及纯 G2 的拉曼光谱。(c) 四氢呋喃改性电解质的²³Na核磁共振谱。(d, e) 分子动力学模拟快照。(f) GT-0% 和 GT5% 的径向分布函数及配位数。(g) 静电势（ESP）图，(h) GT-0% 和 GT-5% 的解离能，以及 (i) GT-0% 和 GT-5% 的平均相互作用能。

图4.在30°C、0.2 mA/cm²电流密度下的钠|钠对称电池中，(a)GT-0%和(b)GT-5%的枝晶生长情况。GT-0%和GT-5%中(c)O 1s、(d)C 1s 以及(e)F 1s的非原位X射线光电子能谱。(f)GT-0%和GT-5%中阴极电解质界面（CEI）膜的高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）图像。(g) 溶剂和溶剂化团簇的HOMO-LUMO能。

图5.(a)在−40 °C时，使用GT-0%和GT-5%电解质的Na||NMNO-CNTs半电池拟合得到的Rs值和 RCEI+ct值。(b)使用GT-5%电解质的Na||NMNO-CNTs 半电池在不同时间放电至 3.65 V 时的Nyquist图，以及 (c) 相应拟合得到的Rc值。(d) 通过Arrhenius分析得到的 Na⁺去溶剂化能。(e)导电剂和电解质在正负极表面的示意图。

图 6. (a) HC||NMNO-CNTs 全电池的示意图。(b、c) 使用 GT-5% 电解质的 HC||NMNO-CNTs 全电池的倍率性能，以及 (d) 其能量密度和功率密度。(h) 使用 GT-0% 和 GT-5% 电解质的 HC||NMNO-CNTs 全电池的循环性能。工作温度：−40 °C。

结论

综上所述，通过同时引入碳纳米管（CNTs）导电剂和四氢呋喃（THF）诱导的弱溶剂化电解质，构建了一种低温下的高性能钠离子电池（SIB），这得益于NMNO-CNTs正极内快速的电子/离子传输以及增强的去溶剂化动力学。正如预期的那样，在-40 °C的低温，Na||NMNO-CNTs 电池在20 mA g⁻¹的电流密度下具有91.2 mAh g⁻¹的高可逆容量，在800 mA g⁻¹的电流密度下展现出89.6 mAh g⁻¹的优异倍率性能，并且在200 mA g⁻¹的电流密度下循环3600次后容量保持率超过92.0%，具有良好的长期稳定性。

此外，HC||NMNO-CNTs 全电池在-40 °C时实现了2324.0 W kg⁻¹的高功率密度和262.7 Wh kg⁻¹的能量密度，以及出色的循环性能，在1500次循环后容量保持率为86.5%，这表明其在实际应用中具有巨大潜力。此外，原位电化学阻抗谱分析表明，类电容行为在低温下的动力学过程中起着关键作用。这项工作突出了电荷转移动力学的关键作用，并为先进的低温钠离子电池提供了指导方针 。

参考文献

Unlocking Charge Transfer Limitation toward Advanced Low-Temperature Sodium-Ion Batteries. ACS Energy Lett. 2025,10,185−194.

来源：锂电动态一点号