摘要：新能源电力资源错配和消纳等问题的存在迫切需要低成本高稳定储能技术的发展，新型电力系统的长周期储能方式仍在持续探索中。以低成本硫和钠为电极的高温钠硫电池在大规模储能中已有数十年的商业化应用，然而硫的利用率不足以及使用熔融态电极带来的高维护成本和安全性隐患，限制了

文章背景

新能源电力资源错配和消纳等问题的存在迫切需要低成本高稳定储能技术的发展，新型电力系统的长周期储能方式仍在持续探索中。以低成本硫和钠为电极的高温钠硫电池在大规模储能中已有数十年的商业化应用，然而硫的利用率不足以及使用熔融态电极带来的高维护成本和安全性隐患，限制了其进一步的推广应用。

室温钠硫（RT Na-S）电池可在常温下运行，提供了一个更加安全、低成本的解决方案，但电极与电解液相间的复杂问题带来了诸多挑战，如穿梭效应、钠枝晶的生长、SEI/CEI的不稳定形成等，阻碍了开发长期稳定安全的储能室温钠硫电池的进程。当前的相关研究主要集中在硫正极纳米结构的优化以及负极表面保护等策略，并取得了许多积极进展。在常规的低成本硫碳正极体系中的问题解决，对于室温钠硫电池的规模化应用有着重要意义，需要在深入理解室温钠硫电池问题的基础上，通过电解液工程协同解决以上问题。

该研究开发了一种不易燃的双功能离子液体基电解质，该电解质可以在钠金属阳极表面形成富含无机物的固态电解质界面，有效改善钠沉积行为并抑制枝晶生长。同时，利用FSI−/TFSI−和氟乙烯碳酸酯（FEC）在多硫化钠亲核取代中的独特协同作用来调节固-固（S8-Na2S）转变，从而形成一种由NaF球增强的稳定的正极电解质界面相（CEI）。在CEI保护下，固-固转变机制有效地抑制了多硫化物的产生和界面副反应。

因此，通过优化多组分电解质，S@C||Na电池表现出高容量、长寿命、出色的倍率性能并提高了安全性，在0.2 A g−1的条件下进行500次循环后，其比容量为565 mAh g−1。这种新型电解质的应用在RT Na-S电池中具有巨大的潜力，可以提高电化学性能和安全性。相关成果以“Interphase-Regulated Room-TemperatureSodium-Sulfur Batteries Enabled by a Nonflammable Dual-Functional Electrolyte”为题发表在国际知名期刊Advanced Energy Materials上，Liu Yang和Lu Suwan为论文共同第一作者，许晶晶和吴晓东为论文共同通讯作者。

主要内容

图1. a）NaTFSI、EMIFSI、FEC、ILE和IL-FE的拉曼光谱。通过分子动力学MD模拟计算的在b）ILE和c）IL-FE中Na-OFSI-、Na-OTFSI-和Na-OFEC的RDF和CN。d）通过DFT计算得到了Na+-FSI−、Na+-TFSI−、Na+-TEC、FSI−、TFSI−和TEC的LUMO能级。e）使用SS||Na电极，分别采用CE、ILE和IL-FE进行LSV曲线测定。

图2. a）在0.1mA cm-2的电流密度下评估具有不同电解质的Na||Na对称电池的循环性能。插图显示了1750-1800小时放大后的性能。用b）CE、c）ILE和d）IL-FE循环50次后Na金属表面形态的SEM图像（插图显示了循环Na金属的光学图像）。使用不同电解质循环50次后，在Na金属上获得的e）C 1s、f）S 2p、g）N 1s和h）F 1s的XPS光谱。i）TOF-SIMS深度剖析以及在分别使用j）CE、k）ILE和l）IL-FE循环10次后，钠金属表面上NaF₂⁻物种的分布情况。

图3. SEM图像展示了10次循环后a）原始S@C、充满电状态S@C与b）CE、C）ILE和d）IL-FE的表面形貌。使用不同电解质10次循环后，S@C阴极中e）C 1s、f）S 2p、g）f 1s和h）N 1s的XPS光谱。i）原始、j、k）使用IL-FE电解质10次循环的S@C阴极的TEM和HRTEM图像。l）采用IL-FE电解质10次循环后，S@C表面球体的SAED图。

图4. 阴极固-固转化评估。a）使用IL-FE电解质的SC||Na在0.1-3V电压范围内的CV曲线。b）分别使用CE、ILE和IL-FE时，S@C电极在初始放电状态下的深度S 2p光谱。c）使用IL-FE的S@C正极的原位XRD图谱。相应的恒电流充放电曲线如插图所示。d）含IL-FE电解质的S@C||Na电池示意图。

图5. 在25°C、0.5-3.0 V电压范围内，采用不同电解质的S@C||Na电池的电化学性能。a）在0.2 A g⁻¹电流密度下的循环性能。b）在0.2 A g⁻¹电流密度下的初始充放电曲线。c）在0.2 A g⁻¹电流密度下使用IL-FE的代表性充放电曲线。d）倍率性能。e）RT Na-S电池采用不同电解质时循环性能的比较。

结论

综上所述，本文首次提出了将il作为主要溶剂应用于RT Na-S电池的方法。FSI - /TFSI-和FEC独特的协同作用，通过不同的机制诱导阴极和阳极侧形成均匀致密的电极-电解质界面相，促进固-固转变（S8-Na2S），确保稳定的长循环性能。（1）因此，IL-FE组装的S@C||Na电池在0.2 A g-1下循环500次后可提供565 mAh g-1的高比容量，库仑效率接近100%。（2）与现有的储能系统相比，RT Na-S电池在成本和能量密度方面都显示出巨大的潜力，但金属钠阳极引发的安全问题是其实际应用的重要障碍。（3）由于其固有的不可燃性，电解质可能取代传统的醚基和碳酸盐基电解质成为RT Na-S电池发展的“突破口”。（4）初步研究结果表明，间期调节对电池稳定性和硫转化有积极的影响，突出了IL在RT Na-S电池中的应用前景。随着实际应用的发展，离子液体和氟碳酸乙烯的成本有望进一步降低。

参考文献

Liu Y, Lu S, Weng S, et al. Interphase‐Regulated Room‐Temperature Sodium‐Sulfur Batteries Enabled by a Nonflammable Dual‐Functional Electrolyte[J]. Advanced Energy Materials, 2404890.

来源：微生活政事儿