作者：Enhui Wang (王恩慧), Yubin Niu (牛玉斌), Ya-Xia Yin (殷雅侠), Yu-Guo Guo (郭玉国)
钠离子电池体系的“电极-电解液”界面对Na+传输具有关键的承接作用，对规模储能电池体系所需的高能量密度和长循环稳定性有着举足轻重的作用。然而，相对于大量研究的电极材料而言，当前人们对于构建稳定、高效的钠离子电池“电极-电解液”界面的重视程度远远不够，对钠离子电池界面基础理解和调控策略的研究还处于初期阶段。
近日，中国科学院化学研究所郭玉国研究员团队从钠离子电池“电极-电解液”界面的基本理解、电解液母体调节和电极自身因素等方面，对当前钠离子电池界面调控的研究进展和前沿问题进行了梳理与展望(图1)与钠反应的官能团，相关论文以“Manipulating Electrode/Electrolyte Interphases of Sodium-Ion Batteries: Strategies and Perspectives”为题发表在ACS Materials Letters上。
图1. 钠离子电池界面层的基础理解、调控策略与展望
论文从钠离子电池“电极-电解液”界面的基础视角出发，对界面相主体本身的初始形成机制、化学成分与结构、生长演变过程和离子传输行为等方面进行了系统阐述与介绍。首先，热力学驱动力解释了界面相生成的根源、作用及其与电极电解液之间的关联性。其次，分别从计算模拟和实验手段两方面阐述了钠离子电池界面相形成的机制，包括电解液阴阳离子在电极表面的特殊吸附行为和Na+溶剂化行为。考虑到界面相形成所涉及的界面反应非常复杂，作者详细讨论了界面成分、结构及动态演变等方面的诸多前沿挑战，例如关键化学成分的鉴定及其作用机制、不同化学成分形成次序及其在界面中的排布方式、外层有机成分的溶解稳定性等；这些关键问题影响着界面性质和功能，对于构建稳定、高效的界面层具有决定性作用。最后，对于在动力学上起主导作用的界面Na+传输行为，从Na+去溶剂化过程和界面成分结晶态两个方面进行了综述。
界面相主体的形成离不开母体电解液和承载电极两个方面。作者总结了电解液母体的调控策略，包括溶剂和电解质盐的选择与组合、浓度效应、添加剂功效评估等方面，对人们在调节界面膜组成与分布、缓解界面问题等方面做出的努力进行了阐述，并对相应的界面化学反应机制进行了讨论。鉴于所选电极表面特征对界面形成的潜在影响，论文进一步讨论并展望了从碳负极、正极到全电池构建过程中所面临的界面问题。
最后，为获得稳定的钠离子电池界面，作者提出人们还需要深入理解众多关键基础科学问题，并据此开展相关基础研究：(1)全面理解钠离子电池界面层本质。需要进一步加深对界面形成机制、动态演变过程和离子传输行为的认识与理解。借助于先进的原位表征手段，揭示界面层中化学组分及其分布形式，为改善界面层的电化学/热稳定性、溶解稳定性和离子传输性能提供科学参考。(2)界面化学和电解液化学的调控。基于溶剂、电解质盐和浓度的三维特征，深入理解溶剂、电解质阴离子和Na+之间在分子层面的微观相互作用，开发设计具有意想不到功能的新型电解液。此外，钠离子电池的界面行为或许并不完全遵从锂离子电池的规则，因此钠离子电池的界面化学和电解液化学可能需要探索新的方式。(3)电极表面性质的影响。探究电极表面环境与钠反应的官能团，如表面微孔结构/官能团、电极反应活性、过渡金属还原或溶解等，对电极-电解液界面相形成和生长的影响方式。通过以上电极-电解质方面研究工作的不断深入，期待进一步推动钠离子电池体系性能的不断提升。
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ACS Materials Lett. 2021, 3, XXX, 18–41
Publication Date: November 27, 2020
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