清華大學在石墨負極儲能領域取得系列突破性進展

電子發燒友網綜合報道
在全球能源結構向清潔能源轉型的背景下，大規模電化學儲能技術成為保障能源供應穩定性的關鍵支撐，其中鈉離子電池與鉀離子電池因資源豐富、成本低廉等優勢，被視為極具潛力的儲能技術方向。

石墨作為這兩種新型電池體系中常用的負極材料，其在儲能過程中的結構演變、自放電特性以及石墨/電解液界面鈍化膜（SEI）的穩定性，一直是制約電池性能提升的核心難題。

近日，清華大學深圳國際研究生院康飛宇教授、翟登云副教授團隊針對這些關鍵問題展開深入研究，在石墨負極儲能機制與界面調控領域取得系列重要成果，為新型儲能電池的性能優化與產業化應用提供了關鍵技術支撐。

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通過協同式競爭配位機制調控鈉電石墨負極共插層電位的示意圖

團隊首先聚焦鈉離子電池石墨負極的共插層電位調控難題，創新性提出協同式競爭配位的電解液設計理念。傳統電解液中，共插層溶劑的尺寸與數量難以同步優化，導致石墨負極在儲鈉過程中易出現插層電位過高、溶劑穩定性不佳等問題，影響電池的能量密度與循環壽命。

而在新設計的電解液體系中，通過引入小分子弱共溶劑與主溶劑形成協同競爭配位效應，不僅實現了共插層溶劑尺寸與數量的同步降低，還成功構建出結構更靈活的四元插層化合物。

這種創新設計使石墨負極獲得了更溫和的插層儲鈉機制，有效降低了配位溶劑的穩定性，進而將共插層電位調控至更優區間。該發現不僅為電解液設計提供了全新思路，還可推廣至其他共溶劑體系的篩選，為鈉離子電池性能提升開辟了新路徑。

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不同儲鈉階段日歷老化過程中石墨負極體積變化對相界面的影響

為進一步探究石墨負極在實際應用中的穩定性，團隊以日歷老化現象為研究切入點，深入分析了溶劑共插層環境下石墨負極界面相的演變規律。日歷老化是電池在長期靜置過程中性能衰減的重要原因，此前學界對這一過程中石墨負極體積變化與界面相演變的關聯機制缺乏系統認知。

研究團隊通過精準控制電池的荷電狀態（SOC），以容量損失和庫倫效率變化為核心量化指標，清晰揭示了不同儲鈉階段體積變化對界面相的影響,在SOC 100%狀態下，老化過程以SEI膜生長為主導，且預循環形成的SEI膜可有效抑制其持續生長；而在SOC 60%狀態下，界面相呈現SEI膜生長與破壞共存的特征，石墨層間化合物（t-GICs）的體積劇烈變化會導致SEI膜破裂，后續電解液還原又會引發SEI膜修復，最終造成庫倫效率顯著下降。這一研究成果為優化電池儲存策略、延長使用壽命提供了重要理論依據。

在鉀離子電池領域，團隊針對石墨負極容量衰減這一核心問題展開系統研究，逐步揭開了影響電池循環穩定性的關鍵機制。研究初期發現，與傳統認知不同，鉀離子嵌入引起的石墨體積變化并非容量衰減的主因，石墨/電解液界面SEI膜的穩定性才是決定電池壽命的關鍵因素。

為進一步明確SEI膜失效機理，團隊運用液相核磁譜學技術對碳酸酯類電解液體系進行深入分析，最終鎖定溶液相鏈式反應為容量衰減的核心誘因。電解液分解產生的中間產物醇鹽會引發鏈式反應，導致大量有機低聚物在石墨界面持續堆積，破壞SEI膜的完整性與離子傳導性。

此外，研究還首次揭示了粘結劑對電極結構穩定性的關鍵作用：常用的聚偏二氟乙烯（PVDF）粘結劑在電池循環過程中易發生脫氟化氫反應，生成的含氟產物不僅會加劇SEI膜的溶解，還會因自身結構失效導致電極完整性破壞，進一步加速石墨負極的容量衰減。

截至目前，該團隊的系列研究成果已陸續發表于《自然?通訊》《能源與環境科學》《德國應用化學》《納米快報》《美國化學學會?納米》等國際頂尖學術期刊。