清華大學在石墨負極儲能領域取得系列突破性進展

電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報道
在全球能源結構向清潔能源轉型的背景下，大規(guī)模電化學儲能技術成為保障能源供應穩(wěn)定性的關鍵支撐，其中鈉離子電池與鉀離子電池因資源豐富、成本低廉等優(yōu)勢，被視為極具潛力的儲能技術方向。

石墨作為這兩種新型電池體系中常用的負極材料，其在儲能過程中的結構演變、自放電特性以及石墨/電解液界面鈍化膜（SEI）的穩(wěn)定性，一直是制約電池性能提升的核心難題。

近日，清華大學深圳國際研究生院康飛宇教授、翟登云副教授團隊針對這些關鍵問題展開深入研究，在石墨負極儲能機制與界面調控領域取得系列重要成果，為新型儲能電池的性能優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)化應用提供了關鍵技術支撐。

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通過協(xié)同式競爭配位機制調控鈉電石墨負極共插層電位的示意圖

團隊首先聚焦鈉離子電池石墨負極的共插層電位調控難題，創(chuàng)新性提出協(xié)同式競爭配位的電解液設計理念。傳統(tǒng)電解液中，共插層溶劑的尺寸與數(shù)量難以同步優(yōu)化，導致石墨負極在儲鈉過程中易出現(xiàn)插層電位過高、溶劑穩(wěn)定性不佳等問題，影響電池的能量密度與循環(huán)壽命。

而在新設計的電解液體系中，通過引入小分子弱共溶劑與主溶劑形成協(xié)同競爭配位效應，不僅實現(xiàn)了共插層溶劑尺寸與數(shù)量的同步降低，還成功構建出結構更靈活的四元插層化合物。

這種創(chuàng)新設計使石墨負極獲得了更溫和的插層儲鈉機制，有效降低了配位溶劑的穩(wěn)定性，進而將共插層電位調控至更優(yōu)區(qū)間。該發(fā)現(xiàn)不僅為電解液設計提供了全新思路，還可推廣至其他共溶劑體系的篩選，為鈉離子電池性能提升開辟了新路徑。

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不同儲鈉階段日歷老化過程中石墨負極體積變化對相界面的影響

為進一步探究石墨負極在實際應用中的穩(wěn)定性，團隊以日歷老化現(xiàn)象為研究切入點，深入分析了溶劑共插層環(huán)境下石墨負極界面相的演變規(guī)律。日歷老化是電池在長期靜置過程中性能衰減的重要原因，此前學界對這一過程中石墨負極體積變化與界面相演變的關聯(lián)機制缺乏系統(tǒng)認知。

研究團隊通過精準控制電池的荷電狀態(tài)（SOC），以容量損失和庫倫效率變化為核心量化指標，清晰揭示了不同儲鈉階段體積變化對界面相的影響,在SOC 100%狀態(tài)下，老化過程以SEI膜生長為主導，且預循環(huán)形成的SEI膜可有效抑制其持續(xù)生長；而在SOC 60%狀態(tài)下，界面相呈現(xiàn)SEI膜生長與破壞共存的特征，石墨層間化合物（t-GICs）的體積劇烈變化會導致SEI膜破裂，后續(xù)電解液還原又會引發(fā)SEI膜修復，最終造成庫倫效率顯著下降。這一研究成果為優(yōu)化電池儲存策略、延長使用壽命提供了重要理論依據(jù)。

在鉀離子電池領域，團隊針對石墨負極容量衰減這一核心問題展開系統(tǒng)研究，逐步揭開了影響電池循環(huán)穩(wěn)定性的關鍵機制。研究初期發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)認知不同，鉀離子嵌入引起的石墨體積變化并非容量衰減的主因，石墨/電解液界面SEI膜的穩(wěn)定性才是決定電池壽命的關鍵因素。

為進一步明確SEI膜失效機理，團隊運用液相核磁譜學技術對碳酸酯類電解液體系進行深入分析，最終鎖定溶液相鏈式反應為容量衰減的核心誘因。電解液分解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物醇鹽會引發(fā)鏈式反應，導致大量有機低聚物在石墨界面持續(xù)堆積，破壞SEI膜的完整性與離子傳導性。

此外，研究還首次揭示了粘結劑對電極結構穩(wěn)定性的關鍵作用：常用的聚偏二氟乙烯（PVDF）粘結劑在電池循環(huán)過程中易發(fā)生脫氟化氫反應，生成的含氟產(chǎn)物不僅會加劇SEI膜的溶解，還會因自身結構失效導致電極完整性破壞，進一步加速石墨負極的容量衰減。

截至目前，該團隊的系列研究成果已陸續(xù)發(fā)表于《自然?通訊》《能源與環(huán)境科學》《德國應用化學》《納米快報》《美國化學學會?納米》等國際頂尖學術期刊。