用戶成果 | 鄭州大學陳衛華團隊《Nature Communications》QSense QCM-D 技術助力鈉離子電池電解液研究新突破

在新能源領域，鈉離子電池因其資源豐富、成本低廉等優勢，被視為未來大規模儲能的理想選擇。然而，電解液的穩定性一直是制約鈉離子電池發展的關鍵因素之一。近期，鄭州大學陳衛華團隊以“Locking-chain electrolyte additive enabling moisture-tolerant electrolytes for sodium-ion batteries"為題，在《Nature Communications》上發表相關研究，通過創新性地使用 QSense QCM-D 技術，深入解析了新型電解液添加劑對鈉離子電池性能的提升機制，為這一領域帶來了新的突破。

研究背景：電解液的“痛點"

鈉離子電池在充放電過程中，電解液與電極之間的界面穩定性至關重要。然而，傳統電解液由于存在微量水分（H?O），容易引發電解液的分解和電極的腐蝕，導致電池性能迅速下降。此外，形成的固體電解質界面（SEI）不穩定，進一步加劇了電池的老化問題。如何優化電解液，使其在高濕度環境下仍能保持穩定，成為科研人員亟待解決的難題。

QSense QCM-D 技術：揭秘電解液-電極界面

在這項研究中，研究人員設計了一種新型的“鎖鏈"電解液添加劑——15PBS（15-crown-5），并將其應用于鈉離子電池電解液中。為了深入理解這種添加劑的作用機制，研究人員采用了 QSense QCM-D 技術，這是一種能夠實時監測界面相互作用的強大工具。

QSense QCM-D 技術通過測量石英晶體的頻率（Δf）和耗散（ΔD）變化，可以精確地檢測到電解液與電極表面之間的相互作用。在實驗中，研究人員利用 QSense QCM-D 實時監測電解液在電極表面的吸附分解過程。

圖1:帶有鎖定鏈15PBS電解質添加劑HC負極上不溶性SEI。

實驗結果顯示，當電解液中含有 15PBS 時，電極表面的頻率（Δf）和耗散（ΔD）變化顯著不同于傳統電解液。具體來說，15PBS 的存在抑制水催化電解液在電極表面的分解，且參與形成更加致密、均勻的富含硫化物的SEI 層。這種致密的 SEI 層有效地阻止了電解液與電極之間的直接接觸，從而抑制了電解液的過度分解及SEI的溶解和再生。

實驗結果：性能顯著提升

圖2:NNM正極上使用鎖定鏈15PBS電解質添加劑的穩定CEI

通過 QSense QCM-D 技術的監測，研究人員發現，使用 15PBS 電解液的鈉離子電池在多個關鍵性能指標上都取得了顯著提升：

1. 循環穩定性顯著增強：在 500 mA g?1 的電流密度下，使用 15PBS 電解液的硬碳 | Na?.??Ni?.??Mn?.??O? 全電池能夠穩定循環 2000 次，容量保持率高達 89.5%，而傳統電解液的電池在相同條件下容量保持率僅為 79.9%。

2. 高倍率性能優異：在高電流密度（如 600 mA g?1）下，使用 15PBS 電解液的正極材料（NNM）仍能保持較高的放電容量（55.4 mAh g?1），遠優于傳統電解液。

3. 界面穩定性提升：通過 QSense QCM-D 技術監測到的 SEI 層的穩定性和均勻性，表明 15PBS 電解液能夠有效抑制界面副反應，延長電池壽命。

總結及QCM-D 技術的關鍵作用

總之，作者設計了一種鎖定鏈15PBS添加劑，以優化從相到界面的電解質。15PBS捕獲微量H₂O以防止電解質腐蝕，并形成穩定的SEI/CEI，以實現可持續的高能量密度SIB。MD模擬顯示，15PBS降低了Na??溶劑化殼中與EC的配位數，加速Na+去溶劑化，減少電極界面上的溶劑積累。吸附在HC負極上的鎖定鏈15PBS通過排除EDL中的EC/DEC和H₂O來抑制寄生界面生長，這降低了活性分子（ci）的局部濃度，從而減輕了高極性溶劑衍生的SEI（高Pr）的形成。因此，優先分解的15PBS形成了富含苯基/硫化物成分（RSO₃R、Na₂SO₃、Na₂S）的薄（10 nm，低溫TEM）SEI，以確保高離子電導率，從而增強動力學。經原位EQCM和原位DEMS證實，機械韌性SEI具有良好的電子絕緣性，即使在高溫下也能有效抑制SEI在循環過程中的溶解和再生。電解質消耗的減少和氣體釋放的抑制協同提高了循環壽命和安全性。

這項研究不僅展示了 15PBS 電解液添加劑在提升鈉離子電池性能方面的巨大潛力，更凸顯了 QSense QCM-D 技術在解析電解液-電極界面相互作用中的關鍵作用。通過實時監測界面動態變化，研究人員能夠深入理解添加劑的作用機制，并據此優化電解液配方，為鈉離子電池的商業化應用提供了重要的理論支持和實踐指導。

QSense QCM-D 技術以其高靈敏度和實時監測能力，為新能源材料的研究提供了強有力的工具，助力科研人員在電池技術領域不斷取得新的突破。

基金支持

國家自然科學基金（U24A20566, 22279121）、堯山實驗室開放課題計劃（2024002）、國家重點研發計劃（No. 2023YFB3809500）、河南省科技研發聯合基金（222301420009）、河南省重點研發計劃（231111241400）、鄭州大學等基金項目為該研究提供了重要的資金支持。

原文鏈接

htt  ps://doi.org/10.1038/s41467-025-61603-6