原位AFM探索钠离子电池溶剂依赖型石墨界面演绎过程

摘要

石墨在碳酸酯基电解液中储钠活性很低,因此被认为不合适作为钠离子电池负极材料。而最近的研究表明,在以线性醚为溶剂的钠离子电解液中,石墨具有高的储钠容量和首圈库伦效率。因此,探索这种溶剂依赖型的石墨界面演绎过程具有重要的意义。本研究采用原位原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)实时观测石墨在碳酸酯基和线性醚基电解液下的界面微观动态过程。结果表明:在线性醚溶剂下,石墨电极界面没有固体电解质界面膜(Solid electrolyte interphase,SEI)形成,且溶剂化钠离子可以在石墨层间进行可逆的插入和脱出,AFM结果从界面角度解释了其具有高初始库伦效率的内在原因。然而在碳酸酯溶剂中,可以观察到石墨电极表面出现明显的沉积物,对应SEI的生长;并且在充电过程中SEI逐渐减少,表明碳酸酯溶剂下形成的SEI不稳定,造成不可逆的容量损失和低库伦效率。此外,石墨表面未出现明显的台阶变化,反映了没有钠离子的脱嵌过程。上述研究结果为石墨负极界面反应动态过程提供了见解,从微观尺度揭示了溶剂依赖的石墨负极储钠行为及其界面反应机理,为高性能钠离子电池体系的设计与发展提供了理论依据。