【摘要】 华南理工大学团队在《ACS Nano》发表研究，通过Pd催化Na₂O分解实现钠离子电池高效补偿和界面稳定。科学指南针提供理论计算支持，助力反应机理解析与材料设计。

华南理工大学董有忠/赵彦明课题组在《ACS Nano》发表创新研究成果，通过电催化驱动补偿策略成功解决钠离子软包电池容量衰减难题。科学指南针为本研究提供吸附能、态密度和吉布斯自由能计算支持，助力反应机理解析与材料设计优化。

 

研究背景与钠电池挑战

钠离子电池因资源丰富、成本低廉被视为锂离子电池的理想替代品，但不可逆活性钠损失严重制约其实际应用。硬碳负极匹配时，正极有限钠离子在循环过程中因界面膜形成、材料缺陷和锰溶解等问题持续消耗，导致全电池性能下降。

​核心技术瓶颈：​​

  • 活性钠损失（ASL）导致容量衰减和能量密度降低

  • 传统预钠化添加剂电化学活性低、分解过电位高

  • 锰溶解穿梭效应引发副反应，降低库仑效率

  • 界面稳定性差，循环寿命受限

 

创新方法：电催化驱动补偿策略

研究团队设计钯催化分解高钠含量氧化钠（PNO）策略，实现高效钠补偿和稳定界面构建的双重目标。

​技术突破要点：​​

  • Pd催化Na₂O分解释放钠离子，首圈提供700 mAh g⁻¹容量

  • 诱导FEC分解形成富NaF正极电解质界面（CEI）层

  • 抑制Mn²⁺溶解穿梭，提升界面稳定性

  • 8 wt%低添加量实现高效补偿，适合规模化应用

图1. 示意全电池中活性钠损失（ASL）根源与电催化补偿机制。

 

理论计算与机理验证

科学指南针支持的密度泛函理论计算深入揭示电催化补偿机制，为实验设计提供理论指导。

​计算研究发现：​​

  • 吸附能计算显示NaF层对HF吸附能-1.892 eV，显著增强抗腐蚀能力

  • 态密度分析证实Pd的d轨道与O的2p轨道重叠，活化氧阴离子

  • 吉布斯自由能计算表明Pd催化降低Na-O键断裂能垒

  • 理论计算指导材料设计，优化催化活性

 

活性钠损失机理分析

通过系统表征揭示钠离子软包电池中活性钠损失的演化过程与根本原因。

​关键发现：​​

  • 容量衰减主要源于正极侧活性钠损失，非电解质耗尽

  • Mn²+溶解穿梭诱发电解液分解，形成碳酸盐副产物

  • 正极CEI破坏重建，硬碳负极SEI增厚捕获"死钠"

  • TOF-SIMS三维成像证实副产物积累消耗活性钠

 

电催化补偿性能评估

PNO添加剂显著提升电池电化学性能，实现高能量密度和长循环寿命。

​性能卓越表现：​​

  • 能量密度从124 Wh kg⁻¹提升至176 Wh kg⁻¹

  • 0.1C循环100次容量保持率73%

  • 倍率性能、安全性和空气稳定性显著优于传统添加剂

  • 软包电池在不同条件下保持稳定运行

 

界面结构与稳定性分析

原子尺度表征揭示PNO诱导形成的稳定界面结构及其保护机制。

​界面优化机制：​​

  • 形成10 nm厚致密CEI层，富含NaF成分

  • 三层有序结构有效抑制Mn²⁺溶解穿梭

  • EELS显示表面Mn信号保持，溶解量减少70%以上

  • 刚性界面层提升电极结构完整性和循环寿命

原子尺度证实NaF-rich CEI抑制Mn溶解。图6a–d的TEM-EELS显示PNO循环后颗粒表面10

 

总结与展望

电催化驱动补偿策略为钠离子电池容量衰减问题提供创新解决方案，推动高性能储能器件发展。

​创新价值总结：​​

  • 电催化补偿实现高效钠离子补充和界面稳定

  • PNO添加剂低用量、高效率，适合实际应用

  • 科学指南针计算支持为机理解析提供关键支撑

  • 为钠电池商业化应用提供新思路

​应用前景：​​

  • 电网级规模化储能系统

  • 低成本高安全储能设备

  • 高性能便携式电子设备

  • 可持续能源存储解决方案

论文信息：ACS Nano, 2024

DOI：10.1021/acsnano.2024.xxxxx

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