基于二甘醇二甲醚电解质的碳纳米角中钠离子存储行为研究：微观结构与性能关联的突破

为解决钠离子电池(NIBs)石墨负极在酯类电解质中性能差的问题，研究人员采用单壁碳纳米角(SWCNHs)和二甘醇二甲醚(diglyme)基电解质体系，揭示了钠离子通过共嵌入机制在无序石墨域和微孔中的高效存储行为。该工作通过ex-situ SEM、GITT和in-situ EIS等技术证实了薄而均匀的SEI层形成，获得332 mA h g?1的比容量及500次循环稳定性，为碳基负极设计提供了新思路。

　　

研究背景与意义

钠离子电池(NIBs)因资源丰富和成本优势被视为锂离子电池(LIBs)的替代品，但其发展受限于高性能负极材料的缺乏。传统石墨负极在酯类电解质中因热力学不稳定性无法有效储钠，而醚类电解质中钠离子的共嵌入行为为碳材料带来了新机遇。碳纳米角(SWCNHs)具有独特的锥形结构和丰富微孔，但其钠存储机制尚未明确。印度科学教育与研究学院的Yashraj Soni团队在《Next Energy》发表研究，首次揭示了SWCNHs在二甘醇二甲醚(diglyme)电解质中的储钠行为。

关键技术方法

研究采用透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)表征材料形貌，氩气吸附测试分析比表面积和孔径分布，X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱检测表面化学状态。电化学测试包括循环伏安法(CV)、恒电流充放电(GCD)和电化学阻抗谱(EIS)，结合恒电流间歇滴定技术(GITT)和弛豫时间分布(DRT)分析动力学过程。电极制备采用浆料涂覆法，对比研究了1M NaPF₆/diglyme与酯类电解质的性能差异。

研究结果

1. 材料表征

SWCNHs呈现40-50 nm的均匀颗粒，比表面积373 m² g^?1，具有2.3 nm的介孔和sp²/sp³杂化碳结构（图1）。XPS显示含2%氧官能团，拉曼I_d/I_g=1.09证实高缺陷密度。

2. 电化学性能

在diglyme电解质中，SWCNHs展现332 mA h g^?1的比容量（50 mA g^?1），1 A g^?1下循环200次后容量提升至314 mA h g^?1（图2）。酯类电解质则因厚SEI层导致首圈容量从1300 mA h g^?1骤降至100 mA h g^?1。CV分析表明diglyme体系中电容贡献达98.5%，远高于酯类的83.7%（图3）。

3. 动力学机制

GITT测得钠离子扩散系数在diglyme中为1.17×10^?12 cm² s^?1（充电过程），高于酯类的2.53×10^?13 cm² s^?1（图4）。EIS显示diglyme体系的电荷转移电阻(R_ct)仅151.9 Ω，而酯类达668.9 Ω（图5-6）。DRT分析揭示P1-P6峰对应界面阻抗和扩散过程（图5e）。

4. 界面与结构演变

Ex-situ SEM显示diglyme中形成均匀薄SEI层，酯类电解质则生成厚SEI（图7a-c）。TEM证实充放电后d-间距保持0.4 nm，XPS显示钠以吸附态存在于缺陷位点（图7d-f）。

结论与意义

该研究首次阐明SWCNHs在diglyme电解质中通过表面吸附和微孔填充实现高效储钠，其性能优势源于：①醚类电解质促进薄SEI形成；②高缺陷密度和介孔结构加速离子传输；③电容主导的快速电荷存储机制。这项工作为设计高功率密度NIBs负极提供了新策略，同时揭示了电解质-电极界面调控的重要性。