非水系na-o2电池作为一种新型二次电池体系，具有低过电位、高能量密度、低成本等优势，逐渐引起了研究人员的关注。然而，由于钠负极枝晶生长和正极超氧根离子（o2-）的不稳定性，na-o2电池的循环稳定性、库伦效率受到限制。近日，南开大学的李福军研究员团队和澳大利亚伍伦贡大学的侴术雷教授合作，报道了一种双功能的阳离子添加剂——四丁基铵根阳离子（tba），同时实现了钠负极枝晶生长的抑制和正极超氧根离子稳定性的提高。
随着社会的不断发展，人们对储能设备提出了更高的要求，一些具有高能量密度、低成本的新型电池体系受到研究人员的广泛关注。其中na-o2电池由于低过电位，高能量密度和低成本，逐渐引起了研究人员的兴趣。na-o2电池采用金属钠作为负极，氧气电极作为正极，通过超氧化钠（nao2）在正极可逆的生成和分解实现放电和充电过程。但是目前na-o2电池还处在研究阶段，其负极的枝晶问题和正极的不稳定性制约着na-o2电池体系的进一步发展。
南开大学团队与伍伦贡大学团队合作，提出了一种双功能的阳离子添加剂，为na-o2电池的发展提出了一种新的思路。工作首先研究了tba在负极的枝晶抑制行为，根据原位光学显微镜和交流伏安法分析的结果，表明tba阳离子具有化学/电化学稳定性，其在沉积过程中优先吸附在电极表面，产生静电屏蔽作用，诱导na离子均匀沉积，从而抑制了ar/o2气氛下钠枝晶和死钠的生成，在高电流密度下保证了钠负极的长循环稳定性。之后工作又对tba阳离子在正极的作用展开研究，根据软硬酸碱理论和路易斯酸碱理论，具有大离子半径、弱路易斯酸性的tba阳离子可以稳定具有弱路易斯碱性的o2-，提高na-o2电池的库伦效率。同时，na-o2电池还展现出优异的倍率性能。从头算分子动力学模拟（aimd）对比了醚类电解液中na和tba与o2-形成的溶剂化离子对，通过溶剂化总能和径向分布函数（rdf）分析表明tba与o2-形成的离子对具有更快的去溶剂化动力学。密度泛函理论（dft）计算采用了混合团簇/隐式溶剂模型计算了o2-的歧化反应过程，计算表明tba存在下o2-的歧化反应得到抑制。该作用机理对于na-o2电池的研究起到了一定的指导作用。
图1. 阳离子添加剂在na-o2电池中的双功能效应示意图。
这一成果近期发表在angewandte chemie international edition 上，文章的第一作者是南开大学的硕士研究生赵硕。