12月5日，上海理工大學竇世學院士、吳超教授團隊在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）發(fā)表重要研究成果，論文題為“分子楔重構溶劑化結構用于低溫Ah級無負極鈉金屬電池“（Molecular Wedge Reconstructing the Solvation Structure for Low-Temperature Ah-Level Anode-Free Sodium Metal Batteries）。該工作面向極寒環(huán)境下高能量密度儲能技術的重大需求，提出了一種全新的 “分子楔入（Molecular Wedging）”電解液設計策略，實現(xiàn)了從室溫25°C到-40 °C超低溫條件下Ah級無負極鈉金屬電池的高穩(wěn)定循環(huán)與高能量密度，填補了該領域長期存在的性能瓶頸。上海理工大學與上海大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生黃嘉文為第一作者，寧波東方理工大學彭健教授、福州大學吳明紅院士、上海理工大學能源材料科學院吳超教授為共同通訊作者，上海理工大學為第一單位。
無負極鈉金屬電池因成本低、能量密度高、結構極簡，是下一代大規(guī)模儲能的重要方向。然而，在低溫環(huán)境下，傳統(tǒng)電解液普遍面臨離子傳輸遲緩、溶劑-鈉離子強配位導致低溫凍結、脫溶劑化困難、界面不穩(wěn)定導致容量快速衰減。這些問題使其在 0 °C 以下幾乎無法正常工作，不能實現(xiàn) Ah 級軟包電池的穩(wěn)定運行。
研究團隊通過引入芳香醚，憑借其與強溶劑化作用溶劑之間的定向偶極作用“楔入”鈉離子溶劑化結構，從空間位阻與電荷重分布兩個層面重構局部溶劑化環(huán)境，顯著降低低溫脫溶能壘，并促進形成富含無機組分的穩(wěn)定界面膜。得益于這一結構調(diào)控機制，電解液在-40 °C依舊保持良好流動性、高離子電導率和界面反應穩(wěn)定性。在電化學性能測試中，團隊所構建體系在 -40 °C 下實現(xiàn)了 99.98% 庫倫效率與超過 1000 小時的穩(wěn)定循環(huán)，表現(xiàn)出高度可逆的鈉沉積行為。進一步制備的3Ah無負極軟包電池在 -40 °C環(huán)境中仍具備2.41Ah的初始容量和170 Wh kg?1的能量密度，展示了優(yōu)異的工程應用潛力。使用商用化的NFM層氧正極軟包電池能在-40 °C下實現(xiàn)184 Wh kg?1的超高能量密度。
該研究為鈉電的低溫儲能系統(tǒng)提供了新的設計理念，為推動無負極鈉金屬電池在極寒地區(qū)儲能、電動交通和航空航天領域的應用邁出重要一步。
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論文原理圖
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論文DOI：10.1021/jacs.5c17927
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c17927
