一项新的研究发现，在钠离子电池中，锡负极的热稳定性可能优于硬碳。研究还表明，电解液的选择会显著影响锡在升温过程中性能的变化，为开发高能量密度锡基电池提供了新方向。

                                                         北卡罗来纳大学Lin Ma教授

北卡罗来纳大学、加州大学圣迭戈分校、阿贡国家实验室和西北大学的研究人员，与美国钠离子电池企业Peak Energy共同比较了锡、硬碳及两者混合物在升温条件下的表现。

锡的反应活性低于硬碳

研究人员采用加速量热法，测量材料在温度升高时开始自行放热的时间点。

该方法可用于比较充电电极材料的热行为，以及其与周围电解液之间的相互作用。

实验中，完全钠化的锡表现出比硬碳更高的热稳定性。锡与硬碳的混合物则表现居中，且随着锡占比提高，热稳定性会随之增强。

研究人员确定的一个影响因素是两种材料的比表面积差异。硬碳的比表面积远大于研究中使用的锡粉，因而在电极材料与电解液之间形成更多界面。比表面积可能因此导致两种材料在热反应活性上的差异。

锡也正被研究用于提高钠离子电池的能量密度。理论上完全钠化的锡在单位体积内可储存的钠显著多于硬碳；目前，研究仍在继续探索支持重复储钠的电极设计和电解液体系。

电解液影响显著

研究还表明，锡的热行为在很大程度上取决于其周围的液态电解液。

研究人员比较了通常称为PC的碳酸丙烯酯，以及属于醚类溶剂glyme家族的四甘醇二甲醚（TEGDME）。

在PC中，锡更早开始放热，且反应更为强烈；在TEGDME中，该材料在更高温度下仍保持稳定，整体反应活性也较低。

这项研究建立在此前关于glyme类电解液与锡负极相容性的研究基础上。最新研究表明，除电化学性能外，glyme化学体系也会影响钠化锡的热行为。

研究人员还考察了两种溶剂为何产生不同表现。随着钠化锡被加热，钠开始从锡钠合金中脱出。在PC体系中，这一过程更容易发生，同时伴随着与电解液更强烈的反应以及氧化锡的形成。

TEGDME抑制了这些反应，并在很大程度上使锡保持金属形态。计算机模拟支持了实验结果：PC降低了钠从锡钠合金中脱出所需的能量，进而提高了后续反应和放热发生的可能性。

该研究比较了部分碳酸酯类和醚类体系。电解质盐、锡颗粒粒度、电极设计和运行温度等其他参数，也会影响热行为，是值得进一步研究的方向。

迈向实用化锡基电池

                                                       北卡罗来纳大学博士生Michael Chak

北卡罗来纳大学博士生Michael Chak的研究结果表明，在电极材料层面，锡能够兼具较高的储钠容量和良好的热行为。

电解液开发将是把这些结果转化为完整电池的重要环节。glyme类电解液在负极侧与锡表现出良好相容性，但电解液配方还必须在正极侧提供所需稳定性。因此，能够在两极均有效工作的体系仍在持续研究中。

整体电池行为还受正极材料化学性质、电池尺寸和设计影响。本研究在电极材料层面对锡和硬碳进行了比较，是对完整钠离子电池更广泛研究的补充。

研究结果揭示了锡在钠离子电池中的另一项相关特性：除较高的体积储钠容量外，在所测试条件下，锡的热反应活性低于硬碳；同时，电解液选择也为调控其热稳定性提供了额外的方法。

如需了解更多信息，请访问“锡谷”（Tin Valley）。

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