苏州纳米所吴晓东团队许晶晶等合作AFM：弱极性醚辅助离子液体电解液助力宽温高安全钠金属电池

钠金属电池(SMBs)具有低成本、高理论比容量(1166 mAh g^-1)和低氧化还原电位(相对于SHE - 2.71V)的特点，使其极具潜力应用于下一代二次电池。然而，SMBs面临着一系列挑战，包括由于Na沉积行为不均匀而导致的枝晶生长，高活性Na金属阳极与电解质之间的界面副反应引起的电解质分解并产生易燃气体，从而引发泄漏和燃烧，造成重大的安全隐患。

为了解决上述问题，中国科学院苏州纳米所吴晓东研究员/许晶晶项目研究员联合中国科学院物理所/天目湖先进储能技术研究院郑杰允高工等以双三氟甲基磺酰亚胺钠(NaTFSI)盐和1-甲基-1-丙基吡咯烷鎓双(氟磺酰)亚胺([Py13][FSI])为溶剂，1,2-双（1,1,2,2-四氟乙氧基）乙烷(TFEE)为稀释剂(NaTFSI:IL:TFEE=1:3:1(摩尔比))，制备了一种醚辅助的不易燃离子液体电解液(TILE)。其中，离子液体(IL)具有极低的挥发性、优异的热稳定性、不可燃性和宽电化学窗口，并且含有丰富的阴离子可以与Na⁺阳离子配合形成阴离子包裹的溶剂化结构、有助于在阳极表面形成阴离子衍生的SEI层。弱极性的氟醚溶剂TFEE不参与Na⁺的溶剂化结构，且具有比其他氟醚更高的沸点（141 ℃）和闪点（45 ℃）。因此在IL电解液中引入 TFEE后得到的TILE不仅能有效降低粘度、提高离子导电率，而且能够保证电解液的高安全性和宽温性能（图1）。

当TILE应用在Na-Na中时，其展现了较低的极化（~0.18V）和优异的循环稳定性（0.26 mA cm^-2下稳定循环超过1400小时）。将循环后的电池拆解，也可以观测到光亮的钠金属表面，并且在扫描电镜下也能够看出均匀的Na沉积形貌（图2）。通过进一步的XPS分析，可以看出Na金属表面富含无机NaF成分，可以认为是以FSI^-/TFSI^-阴离子为主导衍生的SEI，其在保证高离子电导的同时，防止了电极与电解液的界面副反应，并确保了稳定均匀的钠金属沉积行为（图3）。得益于此，NVP||Na电池展现了优异的长循环性能（5C下室温稳定循环超过2000圈，容量保持率95.5%，平均库伦效率＞99.9%）和高温性能（60℃）。此外，测试了高压正极（NaNFM||Na）的电化学性能，其在室温（25℃）-零下20℃均能够实现稳定的循环（图4）。本研究为高安全宽温度的离子液体电解液应用于钠金属电池提供了新的设计思路。

相关工作以Weakly Polar Ether-Aided Ionic Liquid Electrolyte Enables High-Performance Sodium Metal Batteries over Wide Temperature Range为题发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上。苏州纳米所博士研究生刘洋和鲁苏皖为论文共同第一作者，中国科学院苏州纳米所许晶晶项目研究员、中国科学院物理所/天目湖先进储能技术研究院郑杰允高工和中国科学院苏州纳米所吴晓东研究员为通讯作者。相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金的资助。该工作得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）提供的测试帮助。

图1. TILE的作用机理及物化性质

图2. 不同电解液Na||Na电池长循环性能及Na沉积形貌

图3. Na金属负极表面SEI组分及TILE成膜机理

图4. NFM||Na及NVP||Na电池长循环及高低温性能