美國太平洋西北國家實驗室 高壓鈉離子電池原型達 500 次循環 容量保留 80%

美國西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory）的研究人員開發出一種 meta-weakly solvating 電解質，讓高壓鈉離子電池能夠穩定運作。研究人員在最新發表於《Nano Energy》期刊的研究中表示：「開發基於地球上豐富元素替代電池系統，已變得越來越重要。由於鈉是與鋰最相近的鹼金屬，擁有相似化學特性且遠更豐富，鈉離子電池（SIBs）自然成為下一代能源儲存的潛力技術。

」在實驗室測試中，使用此電解質的完整電池在 500 次循環後，仍保留初始容量的 80%。此表現優於標準基準裝置，後者通常僅維持 100 至 300 次循環即達類似衰減水平。研究補充：「完整電池在 500 次循環後展現 80% 容量保留率，超越傳統碳酸酯基及局部高濃度電解質。」電化學測試在 30°C 恆溫下進行，使用六氟磷酸鈉及雙（氟磺醯基）醯亞胺鈉鹽。

後循環分析及電解質設計

研究人員在 50 次循環後進行後循環分析，使用掃描電子顯微鏡及能量色散 X 射線光譜評估電極狀況。結果顯示，新電解質配方提升高壓介面穩定性，並在搭配鈉鎳錳鐵氧化物正極及硬碳負極時降低漏電流。大多數傳統電池電解質設計為強溶劑化金屬離子，以助其在液體中移動。此過程形成穩定離子-溶劑殼，當離子抵達電極表面時難以分解。若殼未適當脫離，電解質分子常被拉入介面不良副反應，形成不穩定層並消耗電解質，導致電池材料逐漸劣化。

太平洋西北國家實驗室的設計採用中間溶劑化結構，讓鈉離子與溶劑分子結合較鬆散。研究人員解釋：「我們發現，以弱溶劑化 tris(2,2,2-trifluoroethyl) phosphate（TFP）取代局部高濃度電解質（LHCEs）中的傳統非溶劑化稀釋劑，如 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropylether（TTE），可解決 LHCEs 上述限制，同時維持鈉離子周圍富陰離子環境。

」電極製作時，將漿料塗布於鋁箔，使用聚偏二氟乙烯、羧甲基纖維素鈉及丁苯橡膠等黏合劑，搭配導電碳添加劑。科學家利用核磁共振光譜評估電池性能，分析特定溶劑化結構及其在電極介面的行為。測試顯示，meta-weakly solvating 電解質相較傳統選項，提供更快鈉離子脫溶劑化及更低電荷轉移阻力。主要作者 An L. Phan 表示，此策略調控鈉溶劑化結構，促進有利反應並抑制不良反應，從而減少不可逆材料損失並提升長週期電化學穩定性。

「新電解質代表調控 Na 溶劑化結構的新策略，能促進有利反應並抑制不良反應，」An L. Phan 向 ESS News 表示。「這在實際條件下減少不可逆損失及電池材料劣化。」