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研讨后台

现在，可充电电池已普及运用于便携式电子摆设、电动汽车等畛域。在更高的能量须要下，电池平安性变得更加紧要。哄骗易燃有机电解液的可充电电池在产生短路或热失控时就存在激愤怒灾或爆炸的危险，是以须要实质上更平安的下一代电池系统。往常已研讨出多种计谋以升高有机电解质的平安性。特为是室温离子液体（ILs）具备不行燃性，已被普及用做一种候选的电解质材料。个中，由AlCl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物（[EMIm]Cl）构成的ILs是一种典范的氯铝酸盐电解质编制，具备不行燃、低粘度、高导电性、高热不变性和化学惰性等很多梦想的功能。但是，没有一种氯铝酸盐ILs能在屡屡钠电镀/剥离后，供给满盈高的库伦效率

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成就简介

即日，美国斯坦福大学的戴宏杰讲解（通信做家）团队报导了一种新的氯铝酸盐离子液体电解液配方，其首要成份为氯化铝/1-甲基-3-乙基咪唑氯化物/氯化钠离子液体，并引入乙基二氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑双（氟磺酰）酰亚胺做为增加剂。基于该办事研发的氯铝酸盐离子液体电解液，初次获得了不行燃的钠金属电池。该电池的输出电压高达~4V，库仑效率高达99.9%，能量密度和功率密度别离为~Whkg-1和~Wkg-1。其余，在过程次轮回后，钠金属电池的容量坚持率高于90%。这声明该办事研发的氯铝酸盐离子液体电解液合用于高能量/高功率密度、龟龄命和高平安性的钠金属电池。该研讨成就以“Asafeandnon-flammablesodiummetalbatterybasedonanionicliquidelectrolyte”为题目发布在出名期刊NatureCommunications上。

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图文分化

首先，做家将无水AlCl3和[EMIm]Cl在室温下混杂产生酸性IL（AlCl3/[EMIm]Cl=1.5），再用过多NaCl将电解液的pH调至中性，接着列入1wt％EtAlCl2和4wt％[EMIm]FSI，获得由NaCl缓冲的氯铝酸盐IL电解质（图1a）。

欺诈拉曼光谱探测不同阶段IL中AlCl4-和Al2Cl7-品种的演化（图1b）。25℃时，由NaCl缓冲的Na-Cl-IL电池的离子电导率为~9.2mScm-1，是以前报导的基于钠金属电池的IL电解质的2-20倍（图1c）。

过程热重分化（TGA）相比该办事研发的氯铝酸盐离子液体电解液与EC/DEC（含1MNaClO4与5wt％FEC增加剂）的热不变性，觉察有机电解质在℃以上呈现马上的分量损失，在℃时损失了原始分量的约85％；而缓冲的Na-Cl-IL显示出更好的热不变性，直到约℃时没有显然的分量损失。同时由NaCl缓冲的Na-Cl-IL电解质在被浸入多孔隔板并与火焰来往时没有被点燃，声明该电解液具备优秀的不行燃性（图1e）。

图1、NaCl缓冲的AlCl3/[EMIm]Cl离子液体

接着，做家在含有缓冲Na-Cl-IL电解质的钠/碳纤维纸电池中举行线性扫描伏安测试（图2a），尝试后果声明该电解质在高电压钠金属电池中具备高的电化学不变性。在轮回伏安扫描（CV）中，也许知晓地张望到钠复原/氧化峰，显示出可逆的Na电镀/剥离（图2b）。但是，在不含[EMIm]FSI增加剂的缓冲电解质中，Na电镀/剥离的氧化复原峰彻底缺失，阐述[EMIm]FSI增加剂在Na的不变电镀/剥离中起到关键效用（图2c）。恒电流充/放电尝试声明，当电解液为缓冲的氯铝酸盐ILs时，在SEI产生的前5个轮回后，其CE从~72补充到~91％，随后抵达~95％（图2d）。次轮回后，其CE根底不变在95%（图2e）。

图2、Na-Cl-IL电解质的电化学性质

其余，做家用轮回伏安法测定了含缓冲Na-Cl-IL电解质的Na/NVP

rGO电池。该电池的CV弧线显示出对应于V3+/V4+电对的氧化复原峰，其CE在四圈轮回后补充至~99.9％并不变（图3a）。该电池的充/放电电压约为3.4V，其放电比容量为93.3mAg-1（图3b）。但在不含[EMIm]FSI增加剂的缓冲Na-Cl-IL电解质中，放电比容量则极低（图3b）。缓冲Na-Cl-IL电解质中的Na/NVP

rGO电池在较高倍率下显示出较高的比容量（图3c），即在mAg-1下具备~70mAhg-1的放电比容量（图3d）。Na/NVP

rGO电池在mAg-1下具备99.9％的平衡CE，且超出次轮回后仍坚持~96％的初始容量（图3e）。这是基于缓冲氯铝酸盐IL电解液的Na金属电池初次超出99％的库伦效率。

图3、基于Na-Cl-IL电解质的Na金属电池

研讨觉察，向基于Na-Cl-IL电解质的Na金属电池中引入氟也许升高V4+/V5+氧化复原反映的可逆性。基于缓冲Na-Cl-IL电解质的Na/NVPF

rGO电池在50-mAg-1电流密度下，CE约为95％-99％，体现出优秀的倍率功能（图4a，b）。其余，NVPF

rGO正极在缓冲的Na-Cl-IL电解液中以不同的倍率显示出高能量密度（图4c），也许在~10min的放电光阴内供给Whkg-1的能量密度。Na/NVPF

rGO电池显示出优秀的轮回不变性，在电流密度为mAg-1时履历圈轮回后的平衡CE为98.5％（图4e）。Na/NVPF

rGO电池在缓冲Na-Cl-IL电解液中的关键功能参数（包罗能量/功率密度、轮回寿命、放电电压和品质负载）均优于基于以前室温IL电解质的钠金属电池（图4d）。

图4、基于缓冲Na-Cl-IL电解质的Na/NVPF

GO电池的电化学功能

着末，做家过程X射线光电子能谱（XPS）分化Na/NVP

rGO电池的Na负极的元素构成和深度散布。采纳Ar溅射的XPS分化显示，在全数样本的.7eV处均有Na的俄歇峰（图5a）。在.2、.4、.2和.6eV处的O1s峰，声明别离存在Na2CO3、Na2O、Na2SO4和NaOH（图5a）。在~.5eV处的F1s峰，声明存在NaF为SEI膜的首要含氟成份（图5b）。在74.5eV的Al2p峰，声明存在Al2O3为SEI膜的首要含铝成份（图5c）。在~.4和.8eV处的两个峰对应于Cl2p1/2和Cl2p3/2峰，声明NaCl是另一首要SEI组分（图5d）。

其余，做家还欺诈冷冻电镜探测钠聚集后钠负极的形状和元素构成。在钠聚集的初始阶段，波及Na的形核、成长及SEI膜产生，聚集后的Na负极表面显示出球形颗粒（图5e）。HRTEM显示了SEI膜的清楚晶格条纹，其晶格间距与α-Al2O3（）晶面间距一致（图5f）。其余，在SEI膜的边际张望到很多密聚集的纳米立方体，其晶格间距为0.nm，属于NaCl（）晶面（图5g）。哄骗STEM对这些地域举行元素散布测试，声明存在Na、O、Cl、Al、F和N元素，阐明了基于新式IL电解质的钠金属电池中产生了复合SEI膜（图5h）。

图5、SEI膜的宏观构造及化学成份表征

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归纳

该办事开垦了一种基于氯铝酸盐离子液体的电解液新配方。将该电解液用于高电压钠金属电池，能有用阻燃，显著升高钠金属电池的平安性。该办事开垦的离子液体电解质的首要成份为AlCl3、NaCl和[EMIm]Cl，并含二氯化乙基铝和1-乙基-3-甲基咪唑双（氟磺酰基）酰亚胺两种增加剂。基于NVP和NVPF正极的钠金属电池完成了高库伦效率、高能量密度和高功率密度。过程次恒电流充放电轮回后，可保存90％以上的比容量。采纳XPS和冷冻电镜表征SEI膜，觉察其首要组分包罗NaCl、Al2O3和NaF。该IL电解质具备高平安性和高可逆性，可用于其余可充电电池系统。

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文章链接

Asafeandnon-flammablesodiummetalbatterybasedonanionicliquidelectrolyte(NatureCommunications,.DOI:10./s---2)

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