功能材料科技创新服务平台/中国功能材料网 功能材料创新服务平台

引言

近年来，随着对储能解决方案需求的增长，锂离子电池的替代技术受到广泛关注。钠离子电池因其丰富的钠资源和低成本的储能潜力而成为研究热点。尽管钠离子电池的能量密度低于锂离子电池，但其安全性更优，尤其在电解液改性方面展现出巨大潜力。文章旨在研究一种新型阻燃钠离子电解液，以提升钠离子电池的整体性能。本文基于上海大学高彦峰教授团队研究成果及国家自然科学基金、内蒙古重大专项等项目资助。

钠离子电池的兴起：由于锂资源的稀缺性和高成本，钠离子电池作为替代方案受到重视。钠资源丰富且成本低廉，使得钠离子电池在大规模储能应用中具有显著优势。

电解液的重要性：电解液对电池的安全性和界面特性起决定性作用。传统锂、钠离子电池电解液含易燃成分，需加入阻燃添加剂以提高安全性。然而，常见阻燃添加剂会降低电池的容量、循环寿命和库伦效率。

硬碳负极材料的挑战：硬碳作为钠离子电池负极材料，虽具有高氧化还原稳定性和可接受的循环寿命，但传统电解液中的阻燃添加剂（如磷酸三甲酯TMP）易在硬碳上分解，难以形成稳定的SEI膜，影响电池性能。

现有改性方法的局限：尽管已有研究通过添加成膜添加剂或使用混合溶剂体系来改善TMP基电解液的性能，但这些方法往往增加成本或对环境不友好，且在大规模应用中效果有限。

（1）新型电解液体系设计

本文提出了一种不同于传统酯基/醚基混合体系的新型电解液，通过引入乙缩醛二甲醇（DA）作为稀释添加剂，形成EC:TMP:DA三元共混的酯基/缩醛体系阻燃电解液。

（2）物化性能提升

DA的加入降低了电解液的黏度，提高了电导率，并减小了电解液与电极片的接触角，增强了浸润性。这些改进有助于提升电池的整体性能。

（3）阳离子溶剂化结构重构

DA的引入重构了电解液中的阳离子溶剂化结构，降低了EC与TMP与Na+的配位数，加速了Na+的脱溶剂动力学，提高了电解液的性能。

（4）稳定SEI膜形成

DA的加入减少了TMP的分解，促使在负极侧形成更稳定均匀的SEI膜，显著提升了电池的循环稳定性和库伦效率。

（5）优异的电化学性能

实验结果表明，使用EDT电解液的硬碳半电池在0.2 C倍率下循环150圈后仍有300 mAh/g的放电比容量，且循环性能明显优于采用ETP电解液的电池。全电池在100 mA/g电流密度下循环500圈后容量保持率超过80%。

图1 (a) EDT电解液和ETP电解液的离子电导率及黏度; (b) EDT电解液与ETP电解液与极片的接触角；(c) 对EDT电解液及CME电解液的点燃实验

Fig.1 (a) Ionic conductivity and viscosity of EDT and ETP electrolytes；(b) Contact angles of the EDT and ETP electrolytes; (c) Ignition experiments of the EDT and CME electrolytes

图2 (a) 溶剂分子与Na+离子的结合能；(b) 两种电解液的拉曼光谱；(c) 两种电解液的局部拉曼光谱（1 200～1 000 cm-1）；(d) DA、EC、TMP分子表面静电势；(e) EDT电解液的分子动力学模拟快照；(f)、(g) 根据分子动力学模拟所得的两种电解液中Na+的径向分布函数

Fig.2 (a) Binding energies of different solvent molecules with Na+ ions; (b) Raman of the EDT and ETP electrolytes; (c) Localized Raman of the EDT and ETP electrolytes (1 200～1 000 cm-1); (d) Electrostatic potenial on the surfaces of DA, EC, and TMP molecules; (e) Molecular dynamics simulation snap shot of the EDT electrolyte; (f),(g) Radial distribution functions of Na+ in the EDT and ETP electrolytes based on the MD simulations

图3 采用 (a) EDT和 (b) ETP电解质的半电池的CV曲线

Fig.3 CV curves of the half-cells with the (a) EDT and (b) ETP electrolytes

图5 (a) EDT半电池循环1、50、100圈后所测阻抗图；(b) ETP半电池循环1、50、100圈后所测阻抗图

Fig.5 (a) Impedance plots measured after 1, 50 and 100 cycles of EDT half-cells; (b) Impedance plots measured after 1, 50 and 100 cycles of ETP half-cells

图7 XPS谱图中的O 1s、P 2p谱图：(a) ETP O 1s；(b) EDT O 1s; (c) ETP与EDT P 2p对比图；在不同电解液中 (d) EDT 和 (e) ETP充放电循环后硬碳极片的TEM照片

Fig.7 XPS spectra of O 1s, P 2p spectra:(a) ETP O 1s;(b) EDT O 1s;(c) ETP vs. EDT P 2p; TEM images of the cycled HC electrodes in the (d) EDT and (e) ETP electrolytes

本文成功设计并实现了一种基于乙缩醛二甲醇（DA）稀释添加剂的新型阻燃钠离子电解液。该电解液通过重构阳离子溶剂化结构，减少了TMP的分解，形成了更稳定均匀的SEI膜，显著提升了钠离子电池的循环稳定性和电化学性能。研究结果表明，采用EDT电解液的钠离子电池具有优秀的循环稳定性、比容量和阻燃特性，为有机钠离子电池的发展和应用提供了有力支持。

文章发表于《功能材料》2025年第56卷第10期，欢迎引用本文：    

周浩然,高彦峰,刘宇.基于缩醛分子稀释剂的新型钠离子电池阻燃电解液[J].功能材料,2025,56(10):10017-10024.

ZHOU H R,GAO Y F,LIU Y.A novel flame-retardant electrolyte forsodium-ion batteries based on acetal molecule diluents[J].Journal of functional materials,2025,56(10):10017-10024.