可充钠电池用阻燃与水系电解液的研究

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太阳能、风能等可再生能源的不断发展推动了大规模储能设备的需求。可充钠电池凭借其资源丰富、环境友好、成本较低等优点在大规模储能领域中极具发展潜力。然而,常规有机电解液的易燃性质以及电极材料与电解液之间界面不稳定等安全性问题限制了可充钠电池的发展,因此设计开发高安全且性能稳定的可充钠电池电解液具有非常重要的战略意义。本论文对阻燃电解液以及水系电解液两种体系分别进行设计及研究,以克服传统可充钠电池因其有机电解液易燃导致的不安全性问题。并且,采用基于Na3V2(PO4)3电极材料对所研究的电解液体系进行评估,从而获得具有良好的电化学性能和稳定的热力学性能的高安全可充钠电池。具体研究成果如下:1.探究了基于磷酸三乙酯(TEP)作为主溶剂的高安全阻燃电解液。通过对钠盐(Na FSI)摩尔浓度的筛选,获得电化学性能较为优异的3M Na FSI/TEP阻燃电解液。该电解液在较高的盐浓度下保持了较好的离子电导率,同时它促使金属钠表面形成了以磷酸基为主导的稳定的SEI膜,有效降低了Na|Na对称电池的极化电压。该高盐浓度阻燃电解液与金属钠具有良好的相容性,Na|Na对称电池在0.25 m A cm-2的小电流密度下能稳定循环1000 h,并且得到较为平整的钠沉积形貌;采用该电解液的Na/Na3V2(PO4)3电池表现出与常规电解液相似的循环性能和倍率性能。此外,燃烧测试也证明了该电解液具备不可燃特性。2.开发设计了基于高吸水性聚丙烯酸钠(PAAS)的水系胶状电解液体系。由于PAAS具有遇水后自电离的特性,在高粘度下依然能够保持较高的离子电导率,并且通过形成Na+(H2O)n溶剂化分子和较稳定的交联网状结构束缚水分子,达到了拓宽水溶液电化学窗口的目的。通过对加入PAAS比例的筛选,获得效果最优的3 wt%PAAS水系胶状电解液。在该电解液中,不同金属材料的集流体对电解液负极侧电化学窗口的拓宽效果也有所不同,其中析氢反应在钛电极上的抑制效果最为明显。拓宽的电化学窗口可以确保Na3V2(PO4)3电极材料作为负极在更低的电势平台(1.6 V vs.Na/Na+)上可逆地嵌入/脱出钠离子,这为以Na3V2(PO4)3电极材料分别作为正极和负极所组成的全对称水系钠离子电池的发展提供了潜在可能性。
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