电解液添加剂在室温钠硫电池中的电化学性能研究

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室温钠硫电池(RT Na-S)因其较高的理论比容量、低廉的成本而备受关注。但其电解质NaPF6极易与痕量水反应生成HF,侵蚀界面膜,导致循环稳定性不佳。此外还普遍存在库伦效率和可逆容量较低等问题,极大限制了RT Na-S电池的商业化进程。本课题以消除HF,提升库伦效率为研究目的,以元素基团和作用机制为切入点,总结了含F、P、B、Si、S电解液添加剂的共性特点,并针对以上问题筛选出了合适的添加剂。合成了新型添加剂NaPO2F2和NaDFOB,以碳酸酯电解液为基础,对FEC、NaPO2F2、NaDFOB、TMSPi、TTFEB、TMSB、MMDS和PES添加剂进行了性能筛选,确定了以NaDFOB和PES为后续的研究重点。对NaDFOB进行研究,并确定0.3%为最佳添加量,发现加入0.3%NaDFOB后电解液的电导率增加至8.74 m S/cm,钠离子迁移数提高至0.40,电化学窗口也有所增大,说明NaDFOB可以提升离子导电性和电化学反应活性;还观察到加入0.3%NaDFOB后电池比容量从150.2 m Ah/g提升至426.97 m Ah/g(0.2 C循环200圈),容量衰减变缓,循环和倍率性能都有所提升;此外,XPS和FTIR测试发现NaDFOB能减少CEI膜中NaF、NaxPOyFz和ROCO2Na,说明B可以络合PF6-和F-,抑制了电解液的分解,减少了HF的生成,提高了循环稳定性。但是NaDFOB的加入并没有提高库伦效率和比容量,为此又对添加剂PES进行了研究,发现加入最佳比例1%PES后库伦效率大幅提升,如第2圈效率从90.93%提升至95.36%;加入1%PES后电池第200圈比容量从150.2 m Ah/g提升至445.31 m Ah/g,循环和倍率性能都有所提升;还观察到加入1%PES后电解液的电导率增加至10.95 m S/cm,钠离子迁移数提高至0.47,电化学窗口也有所增大;此外,XPS和FTIR测试发现PES可增加CEI膜中RSO3Na、ROSO2Na和Na2SO3,说明PES能提高膜的电导率,有利于离子迁移,含S基团比例的增加也是电池库伦效率和可逆容量提高的原因之一。最后实验研究了NaDFOB和PES添加剂复配的可行性,发现其库伦效率不如单独添加PES,稳定性上也不如单独添加NaDFOB,初步表明复配添加剂没有明显的协同作用。
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