溶剂依赖的石墨界面过程及其储钠行为的原位研究

Graphite, the common anode for Li-ion batteries, is lack of Na intercalation capability when used in Na-ion batteries, but new research shows that graphite is able to store sodium with a remarkable reversibility in liner ether-based electrolytes. The electrochemical performance of graphite anode is closely associated with the electrode/electrolyte interfacial processes. In an effort to reveal the related interface reaction mechanism behind the solvent-dependent sodium storage behavior, by combining in situ atomic force microscopy (AFM) and in situ Raman, this project aim to investigate the solid electrolyte interphase (SEI) and other interfacial behaviors of graphite in Na-ion electrolytes. The main contents include: (1) construct feasible in situ AFM and in situ Raman techniques for the in situ characterization of the anode/electrolyte interfaces in Na-ion batteries in terms of morphology and chemical structure; (2) research the interfacial processes of graphite anode in different solvents, reveal the intrinsic mechanism of solvent-dependent sodium storage behavior from interfacial perspective; (3) explore the relationship between the interface reaction mechanism and the electrochemical properties, provide new theoretical guidance for further enhancing the performance of graphite and developing low-cost and reliable Na-ion batteries.

石墨作为锂离子电池常见负极，应用于钠离子电池时却几乎没有充放电活性，而最新的研究表明，在线性醚溶剂下石墨能够实现钠离子的可逆存储。石墨负极的电化学性能与电极/电解液界面微观过程密切相关，为了揭示溶剂依赖的石墨储钠行为相关的界面反应机理，本项目拟将原位原子力显微镜（AFM）技术和原位拉曼（Raman）技术相结合，研究钠离子电解液下石墨界面固体电解质界面膜（SEI）等微观行为。主要内容包括：（1）构建可靠的原位AFM和原位Raman研究方法，实现钠离子电池负极/电解液界面形貌和化学结构的原位表征；（2）研究基于不同溶剂的钠离子电解液下石墨负极界面微观反应过程，从界面角度揭示溶剂依赖的石墨储钠行为的内在机理；（3）探索界面微观反应机理与宏观电化学性质的相互联系，为进一步提高石墨负极性能，发展低成本、可靠的钠离子电池提供新的理论指导。

石墨在传统碳酸酯基钠离子电解液下的储钠活性很低，而在线性醚溶剂下则具有较高的储钠容量和很高的首圈库伦效率，表现出优异的循环稳定性和倍率性能。针对溶剂依赖的石墨储钠行为，本项目搭建了手套箱-电化学-原子力显微镜（AFM）原位测试平台，通过原位AFM等研究手段，分别研究了石墨在线性醚基和碳酸酯基钠离子电解液下的界面微观动力学过程，从纳米尺度表征了石墨界面微观形貌和结构的动态演化规律。结果显示石墨在两种溶剂下具有显著差异的界面结构特征，在线性醚溶剂下石墨负极界面无固态电解质界面膜（SEI）形成，溶剂化钠离子可逆插入和脱出石墨层间，而在碳酸酯溶剂下，不稳定的SEI形成于石墨平台和台阶处，钠离子不能在界面可逆存储。原位AFM结果为溶剂依赖的石墨界面结构特征提供了直观依据，证实了钠离子电解液溶剂能够显著调控石墨负极界面微观反应机理及其电化学性能。本项目研究结果为SEI在电池反应中的角色及其作用提供了新的理解，也为设计和调控复杂电极体系的固液界面结构、发展高性能电解液体系提供了新的理论指导。