弱溶剂化功能添加剂促进钠离子相内及跨界面快速传输

近期，我室在《Journal of Energy Chemistry》上发表题为“Weakly solvated functional additive-mediated rapid intra-phase and cross-interface Na⁺ transport kinetics to enable fast-charging and long-life sodium metal batteries”的研究论文（J. Energy Chem. 2026, 117, 622-634.）。四川大学为论文唯一署名单位，我室硕士研究生银浩翔为论文第一作者，吴刚教授为通讯作者。

【研究背景】

金属钠电池因钠资源丰富、理论比容量高和电极电位低，被认为是下一代高比能储能体系的重要候选。然而，传统电解液中Na⁺通常呈紧密溶剂化状态，且在金属钠表面易形成有机组分富集、离子传导缓慢且机械稳定性不足的固体电解质界面膜（SEI），导致电解液体相迁移、SEI内离子传输以及界面去溶剂化等关键过程动力学迟缓，进而诱发钠沉积不均、枝晶生长、界面副反应加剧和容量快速衰减。现有添加剂设计多针对单一环节进行局部优化，难以实现相内传输与跨界面反应动力学的协同调控，因此迫切需要发展面向钠离子全传输路径的整体性电解液分子设计策略。

【主要内容】

本工作提出弱溶剂化功能添加剂（weakly solvated functional additive, WSFA）策略，选用二甲基四氟丁二酸酯（DMTFOS）作为代表性添加剂，通过其对Na⁺较弱而适度的配位能力，重构传统电解液中“强溶剂主导”的紧密溶剂化鞘层，使体系转变为溶剂/阴离子适度协同配位的疏松溶剂化结构。理论计算、分子动力学模拟以及¹⁹F/²³Na NMR、FTIR和Raman等表征结果表明，DMTFOS能够有效削弱Na⁺-溶剂和Na⁺-阴离子相互作用，提升电解液中的Na⁺扩散与界面去溶剂化速率；同时，DMTFOS较低的LUMO能级使其优先在钠负极表面还原分解，诱导构筑富含NaF/Na2O的无机富集SEI，从而同步提升界面稳定性与SEI内离子传输能力。与基准电解液相比，改性体系中电解液相内传输活化能由6.76降至3.60 kJ mol^-1，SEI内Na⁺迁移活化能由33.41降至13.95 kJ mol^-1，界面去溶剂化活化能由55.75降至55.17 kJ mol^-1。DRT分析进一步揭示，该策略能够稳定决定容量衰减行为的电荷转移特征时间常数。受益于此，Na₃V₂(PO₄)₃||Na全电池在1 C下循环1000圈后容量保持率接近100%，在2 C下循环2400圈后仍保持96.89%，即使在8 C高倍率下循环2000圈后仍可保持81.5%的容量，展现出优异的快充与长寿命协同优势。

图1. 弱溶剂化功能添加剂策略示意图及其对钠离子全路径传输动力学能垒的调控

图2. DMTFOS改性电解液体系中金属钠全电池的倍率性能与长循环稳定性

该研究系统阐明了溶剂化结构调控、SEI界面化学演化、传输动力学优化与电池衰减行为之间的内在关联，为面向快充和长寿命金属钠电池的电解液分子设计提供了新的整体性准则，也为高倍率金属电池体系中多尺度界面动力学协同调控提供了重要思路。该工作得到了国家自然科学基金（U24A6004）、四川大学研究基金（2021SCUNL201）等项目资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2026.02.042