得益于鈉高的地殼豐度(2.3 wt%)、較高的理論容量(1165 mAh g-1)及較低的氧化還原電位(-2.71 V)，鈉離子電池(SIBs)被認為是后鋰時代具發展前景的一種電網級大規模儲能技術。然而，SIBs在低溫下，特別是在-20°C以下，容量低衰減快，其性能提升仍然是極端環境部署的迫切需求。大體上，影響鈉離子電池低溫性能的因素主要包含以下四方面：(1)電解液內部的離子傳輸；(2)電極-電解液界面的去溶劑化過程；(3)電極-電解液界面內部的離子傳輸；(4)電極材料內部的電子和離子傳輸。值得注意的是，界面Na+去溶劑化過程對低溫更敏感，主導電荷轉移阻抗，是影響電池性能的限速步。電解液的去溶劑化能取決于Na+-陰離子和Na+-溶劑分子的競爭配位，因此調控電解液的溶劑化化學是加速去溶劑化過程、提升SIBs低溫性能的關鍵。雖然鹽濃度和弱配位溶劑對內溶劑化構型的調控是行之有效的，陰離子對溶劑化行為的作用同樣不可忽視。深入解析Na+，陰離子和溶劑分子的溶劑化化學對低溫SIBs性能的提升至關重要。
圖1. Na+溶劑化化學。（A）常見陰離子的DN值；（B）Na+-陰離子的結合能；（C-E）各電解液Raman譜圖及自由G2、配位G2的占比；（F）23Na NMR譜圖及（G）各組分配位數
近日我院碳中和技術創新研究院李林團隊聯合南開大學李福軍教授在國際權威期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上發表題為“Regulation of Anion-Na+ Coordination Chemistry in Electrolyte Solvates for Low Temperature Sodium-Ion Batteries”的學術論文。文中選用高電子親和能力的陰離子三氟乙酸根(TFA-)調控1.0 M NaPF6-G2電解液中的溶劑化學。該全氟陰離子的DN值高達34.0 kcal mol-1，其強配位作用使其全部參與內溶劑化鞘層，實現常規濃度下更多陰離子占據的溶劑化構型。與1.0 M NaPF6-G2電解液相比，增強的TFA-和降低的G2配位的溶劑化化學加速了界面Na+去溶劑化行為，呈現出較低的去溶劑化能(40至-20 ℃：3.49 vs. 4.16 kJ mol-1；-20至-60 ℃：16.55 vs. 24.74 kJ mol-1)?？烧T導均勻穩定的Na沉積，實現25 ℃下500圈99.9%的超高超穩定的庫侖效率。同時，Na||Na3V2(PO4)3電池在-40 ℃下循環呈現出60.2%的室溫容量和100圈后99.2%的高容量保持率。這項工作為溶劑化化學調控助力高性能低溫鈉離子電池發展提供了新的見解。我院博士后周洵竹為第一作者，我院侴術雷教授，李林特聘教授以及南開大學李福軍教授為共同通訊作者，相關工作受到國家自然科學基金，中國博士后科學基金及海河可持續化學轉化實驗室的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2316914121
