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为解决钠离子电池（SIB）在高温、高负载下稳定循环的难题，研究人员开展了添加剂对双草酸硼酸根钠（NaBOB）在磷酸三甲酯（TEP）电解液中高温性能影响的研究。结果表明，添加 1,3 - 丙烷磺酸内酯（PES）可提升性能，该成果为 SIB 应用提供新方向。
在当今科技飞速发展的时代，电池技术成为了众多领域的关键支撑。锂离子电池（LIB）凭借其出色的性能，在电子设备、电动汽车等领域广泛应用。然而，随着其使用量的急剧增加，原材料短缺和成本上升等问题逐渐凸显。钠离子电池（SIB）因其资源丰富、成本较低等优势，被视为极具潜力的替代者。但 SIB 在实际应用中也面临着诸多挑战，尤其是在高温环境下，电池的稳定性和循环性能大打折扣，这严重限制了其大规模应用。为了突破这些瓶颈，来自瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Communications Chemistry》上。
在本次研究中，研究人员主要运用了核磁共振光谱（NMR）技术、恒电流充放电测试以及间歇电流中断（ICI）技术等。通过 NMR 技术，他们能够精准检测电解液在高温储存后的降解产物；恒电流充放电测试则用于评估电池在不同温度下的电化学性能；ICI 技术则帮助研究人员了解电池内部电阻的变化情况。
电解液的热稳定性研究
研究人员将不同的电解液在 55°C 下分别储存 1 周和 4 周，通过肉眼观察和 NMR 光谱分析其变化。结果发现，添加了 1,3,2 - 二氧硫杂环戊烷 2,2 - 二氧化物（DTD）的 NaBOB - TEP 电解液颜色逐渐变为淡黄色或橙色。NMR 光谱显示，DTD 在 55°C 下发生分解，与 TEP 发生酯交换反应，生成硫酸二乙酯和乙基乙烯基磷酸酯等降解产物，且该分解在室温下就已开始。而添加了 1,3 - 丙烷磺酸内酯（PES）的 NaBOB - TEP 电解液以及未添加添加剂的 NaBOB - TEP 电解液在 55°C 储存 4 周后，化学性质稳定，NMR 光谱未出现明显变化。
恒电流循环性能研究
研究人员对普鲁士白 - 硬碳全电池在 40°C 和 55°C 下进行恒电流循环测试。结果显示，未添加添加剂的 0.35M NaBOB - TEP 电解液在两个温度下均出现明显的容量衰减。添加 PES 后，电池的循环稳定性显著提高，虽然温度升高仍会导致一定程度的容量衰减，但整体性能优于未添加添加剂的情况。而添加 DTD 的电池在 55°C 下容量快速下降，在 40°C 下初期循环性能尚可，但后续变得不稳定。与参考的碳酸酯电解液（1M NaPF6 in EC:DEC）相比，添加 PES 和 DTD 对基于碳酸酯电解液的电池长期循环性能有不利影响。
电池内阻研究
利用 ICI 技术研究电池在循环过程中的内阻变化。在首次充电初期，基于 NaBOB - TEP 的电池（无论是否添加添加剂）内阻较高，这是由于固体电解质界面（SEI）形成所致。而使用 NaPF6 in EC:DEC 电解液的电池内阻相对较低，但在首次充电至 40mAh g-1左右时，内阻会略有增加。在后续的充放电循环中，所有电池的内阻在低电量状态下均会出现峰值，这可能与正极活性材料中 Na+在高钠含量下的低迁移率有关。
倍率性能研究
在 55°C 下对 NaPF6 in EC:DEC 和 NaBOB - TEP + PES 电解液进行倍率测试。结果表明，在高 C 倍率下，基于碳酸酯电解液的电池性能优于 0.35M NaBOB - TEP + PES 电解液的电池。这可能是因为 NaBOB - TEP 电解液的离子电导率相对较低，导致电极表面附近的活性材料贡献的钠离子有限；也可能是由于高阻抗的 SEI 层，使得电池内阻增加。
循环暂停后的容量保持研究
通过延长循环暂停 / 松弛测试研究电池的自放电情况。在 55°C 下以 0.2C 倍率循环电池，在第 10 次充电和第 20 次放电后分别暂停 100 小时。结果发现，所有电解液的容量损失都较为显著。对于 NaPF6 in EC:DEC 电解液和未添加添加剂的 NaBOB - TEP 电解液，充电状态下暂停后的容量损失大部分是可恢复的（即可逆损失）；而对于添加 PES 的 NaBOB - TEP 电解液，不可逆损失占主导。此外，添加 PES 的电解液自放电率较低，电压下降较慢，但不可逆损失略高于参考碳酸酯电解液。
早期循环中的气体压力演变研究
测量电池在 55°C 下最初三个循环的压力积累情况。使用 NaBOB in TEP 或 NaPF6 in EC:DEC 电解液的电池压力显著增加，分别为 20mbar 和 25mbar；而使用 NaBOB - TEP + PES 电解液的电池压力增加幅度明显较低，约为 10mbar，这表明 PES 添加剂有效地钝化了负极表面，减少了气体生成。
综合上述研究结果，研究人员得出结论：NaBOB - TEP 电解液添加 PES 后在 55°C 下储存 4 周化学性质稳定，且在 55°C、0.2C 倍率下循环时能获得稳定的性能，容量保持率与 1M NaPF6 in EC:DEC 电解液相当。虽然 NaBOB - TEP + PES 电解液在倍率性能上不如 NaPF6 in EC:DEC 电解液，但在降低气体生成量、减少自放电率等方面表现出色。该研究为开发适用于高温应用的非易燃、无氟电解液提供了重要参考，为钠离子电池在高温环境下的实际应用奠定了理论基础，有望推动钠离子电池技术的进一步发展，使其在更多领域得到广泛应用。
