清华大学在石墨负极储能领域取得系列突破性进展

清华大学在石墨负极储能领域取得系列突破性进展

电子发烧友网综合报道
在全球能源结构向清洁能源转型的背景下，大规模电化学储能技术成为保障能源供应稳定性的关键支撑，其中钠离子电池与钾离子电池因资源丰富、成本低廉等优势，被视为极具潜力的储能技术方向。

石墨作为这两种新型电池体系中常用的负极材料，其在储能过程中的结构演变、自放电特性以及石墨/电解液界面钝化膜（SEI）的稳定性，一直是制约电池性能提升的核心难题。

近日，清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授、翟登云副教授团队针对这些关键问题展开深入研究，在石墨负极储能机制与界面调控领域取得系列重要成果，为新型储能电池的性能优化与产业化应用提供了关键技术支撑。

 
通过协同式竞争配位机制调控钠电石墨负极共插层电位的示意图

团队首先聚焦钠离子电池石墨负极的共插层电位调控难题，创新性提出协同式竞争配位的电解液设计理念。传统电解液中，共插层溶剂的尺寸与数量难以同步优化，导致石墨负极在储钠过程中易出现插层电位过高、溶剂稳定性不佳等问题，影响电池的能量密度与循环寿命。

而在新设计的电解液体系中，通过引入小分子弱共溶剂与主溶剂形成协同竞争配位效应，不仅实现了共插层溶剂尺寸与数量的同步降低，还成功构建出结构更灵活的四元插层化合物。

这种创新设计使石墨负极获得了更温和的插层储钠机制，有效降低了配位溶剂的稳定性，进而将共插层电位调控至更优区间。该发现不仅为电解液设计提供了全新思路，还可推广至其他共溶剂体系的筛选，为钠离子电池性能提升开辟了新路径。

 
不同储钠阶段日历老化过程中石墨负极体积变化对相界面的影响

为进一步探究石墨负极在实际应用中的稳定性，团队以日历老化现象为研究切入点，深入分析了溶剂共插层环境下石墨负极界面相的演变规律。日历老化是电池在长期静置过程中性能衰减的重要原因，此前学界对这一过程中石墨负极体积变化与界面相演变的关联机制缺乏系统认知。

研究团队通过精准控制电池的荷电状态（SOC），以容量损失和库伦效率变化为核心量化指标，清晰揭示了不同储钠阶段体积变化对界面相的影响,在SOC 100%状态下，老化过程以SEI膜生长为主导，且预循环形成的SEI膜可有效抑制其持续生长；而在SOC 60%状态下，界面相呈现SEI膜生长与破坏共存的特征，石墨层间化合物（t-GICs）的体积剧烈变化会导致SEI膜破裂，后续电解液还原又会引发SEI膜修复，最终造成库伦效率显著下降。这一研究成果为优化电池储存策略、延长使用寿命提供了重要理论依据。

在钾离子电池领域，团队针对石墨负极容量衰减这一核心问题展开系统研究，逐步揭开了影响电池循环稳定性的关键机制。研究初期发现，与传统认知不同，钾离子嵌入引起的石墨体积变化并非容量衰减的主因，石墨/电解液界面SEI膜的稳定性才是决定电池寿命的关键因素。

为进一步明确SEI膜失效机理，团队运用液相核磁谱学技术对碳酸酯类电解液体系进行深入分析，最终锁定溶液相链式反应为容量衰减的核心诱因。电解液分解产生的中间产物醇盐会引发链式反应，导致大量有机低聚物在石墨界面持续堆积，破坏SEI膜的完整性与离子传导性。

此外，研究还首次揭示了粘结剂对电极结构稳定性的关键作用：常用的聚偏二氟乙烯（PVDF）粘结剂在电池循环过程中易发生脱氟化氢反应，生成的含氟产物不仅会加剧SEI膜的溶解，还会因自身结构失效导致电极完整性破坏，进一步加速石墨负极的容量衰减。

截至目前，该团队的系列研究成果已陆续发表于《自然・通讯》《能源与环境科学》《德国应用化学》《纳米快报》《美国化学学会・纳米》等国际顶尖学术期刊。