苏州纳米所吴晓东研究员等AEM：一种调节室温钠硫电池界面相的不可燃双功能电解液

新能源电力资源错配和消纳等问题的存在迫切需要低成本高稳定储能技术的发展，新型电力系统的长周期储能方式仍在持续探索中。以低成本硫和钠为电极的高温钠硫电池在大规模储能中已有数十年的商业化应用，然而硫的利用率不足以及使用熔融态电极带来的高维护成本和安全性隐患，限制了其进一步的推广应用。室温钠硫（RT Na-S）电池可在常温下运行，提供了更安全、低成本的解决方案，但电极与电解液相间的复杂问题带来了诸多挑战，如穿梭效应、钠枝晶的生长、SEI/CEI的不稳定形成等，阻碍了开发长期稳定安全的储能室温钠硫电池的进程。当前的相关研究主要集中在硫正极纳米结构的优化以及负极表面保护等策略，并取得了许多积极进展。在常规的低成本硫碳正极体系中的问题解决，对于室温钠硫电池的规模化应用有着重要意义，需要在深入理解室温钠硫电池问题的基础上，通过电解液工程协同解决以上问题。

近日，中国科学院苏州纳米所吴晓东研究员、河海大学许晶晶教授与中国科学院物理研究所李泓研究员等人在 Advanced Energy Materials 期刊上以 Interphase-Regulated Room-Temperature Sodium-Sulfur Batteries Enabled by a Nonflammable Dual-Functional Electrolyte 为题，提出了一种不可燃的双功能离子液体基电解液，首次将离子液体作为室温钠硫电池电解液的主要溶剂，并对其在界面处的作用机制进行了深入的研究。通过合理的电解液工程设计和多重表征技术，深入揭示了离子液体电解液在室温钠硫电池的双功能特性以及活性硫物种的转化机制。以电解液为突破口，为高性能室温钠硫电池的开发提供了新的思路。

离子液体是一类由离子组成、在室温下处于液态的盐物质，具有低挥发性、高热稳定性、高电化学稳定性以及优异的离子导电能力等特点，其阴阳离子有着灵活的组合形式，是十分理想的电解液绿色溶剂。其固有的不可燃性和抑制枝晶生长的能力使其与活性钠金属负极高度兼容，保证了室温钠硫电池优越的安全性。离子液体电解液大量可调节的离子促使阳离子和阴离子共同参与，形成了以氟化物、氮化物等无机组分为主的更稳定的SEI/CEI层，并在正负极侧产生了“双功能”特性。在正极侧，FSI^-/TFSI^-和FEC协同参与了与多硫化钠亲核加成反应，自发地形成了致密均匀的正极电解质界面（CEI）。利用高导电性无机NaF颗粒调控S@C正极表面结构，有效降低电极与电解质之间的界面阻抗，保证了快速转化动力学，显著提高了室温钠硫电池性能。在负极侧，离子液体丰富的FSI^-有效地保障了以阴离子为主的固体电解质界面（SEI）的形成。因此，该电解液展现出了优异的循环稳定性，在0.2 A g^-1电流下循环500圈后，剩余比容量超过560 mAh g^-1，平均库仑效率接近100%。这一发现揭示了离子液体基电解液在室温钠硫电池中的应用价值。

图1. 电解液在钠金属负极侧和硫复合正极侧的“双功能”成膜特性

图2. 活性硫物种的固-固转化特性分析

图3. 组装电池的电化学性能及与同领域工作对比

与现有的储能系统相比，室温钠硫电池在成本和能量密度方面都显示出巨大的潜力，但由于使用金属钠阳极所引发的安全问题是其实际应用中的重要障碍。得益于本征的不可燃性及对多硫化钠的低溶解度，离子液体基电解质可能取代传统的醚基和碳酸酯基电解质，成为室温钠硫电池发展的“突破口”。团队的初步研究结果表明，离子液体可以参与优化室温钠硫电池的正/负极界面，对其电极-电解质界面稳定性和硫转化有积极的影响。随着技术的不断发展，离子液体基电解液的成本可能进一步降低，从而进一步放大其在长效安全储能电池中的应用前景。

中国科学院苏州纳米所博士后刘洋和博士研究生鲁苏皖为论文的共同第一作者，通讯作者为河海大学许晶晶教授与中国科学院苏州纳米所吴晓东研究员。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金的项目支持，以及苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）的技术协助。