ユーザーの成果|鄭州大学陳衛華チーム『自然 コミュニケーション》QSense QCM-D技術助力ナトリウムイオン電池電解液の研究における新たなブレークスルー

新エネルギー分野では、ナトリウムイオン電池は資源が豊富で、コストが安いなどの利点から、将来の大規模エネルギー貯蔵の理想的な選択肢とされている。しかし、電解液の安定性はナトリウムイオン電池の発展を制約する重要な要素の一つである。最近、鄭州大学の陳衛華チームは「ナトリウムイオン電池の耐湿性電解質を可能にするロックチェーン電解質添加物」と題し、『自然 コミュニケーション』に関連研究を発表し、革新的に使用することでQSense QCM-D技術、新型電解液添加剤によるナトリウムイオン電池の性能向上メカニズムを深く解析し、この分野に新たな突破をもたらした。

研究背景：電解液の「痛い点」

ナトリウムイオン電池は充放電過程において、電解液と電極との界面安定性が重要である。しかし、従来の電解液は微量の水分（H₂O型）、電解液の分解や電極の腐食を起こしやすく、電池性能の急速な低下を招く。また、形成された固体電解質界面（SEIは)が不安定で、電池の老化問題がさらに深刻化している。どのように電解液を最適化し、高湿度環境下でも安定を維持できるようにするかは、科学研究者が早急に解決しなければならない難題となっている。

QSense QCM-D技術：秘密電解液−電極界面

この研究では、研究者は新しいタイプの“鎖”電解液添加剤・15PBS（15-クラウン-5）を使用し、ナトリウムイオン電池電解液に適用した。この添加剤の作用機序を深く理解するために、研究者はQSense QCM-D技術、これはリアルタイムでインタフェース相互作用を監視できる強力なツールです。

QSense QCM-D技術石英結晶の周波数（Δf）と散逸（ΔD）が変化し、電解液と電極表面との相互作用を正確に検出することができる。実験では、研究者はQSense QCM-D電極表面への電解液の吸着をリアルタイムで監視する分解プロセス。

図1:ロックチェーン付き15PBS電解質添加剤HC負極上不溶性SEIは。

実験の結果、電解液に含まれる15PBSの場合、電極表面の周波数（Δf）と散逸（ΔD）変化は、従来の電解液とは著しく異なる。具体的には、15PBSの存在水触媒の抑制電解液は電極表面にあるの分解、および参加より緻密で均一な硫化物に富むSEIはレイヤー。この緻密なSEIは層は電解液と電極との直接接触を効果的に阻止し、電解液の過度分解およびSEIはの溶解と再生。

実験結果：性能が著しく向上した

図2： NNM正極にロックチェーンを使用する15PBS電解質添加剤の安定化CEI

通過QSense QCM-D技術のモニタリング、研究者の発見、使用15PBS電解液のナトリウムイオン電池はいくつかの重要な性能指標において顕著な向上を遂げた：

1. サイクル安定性が顕著に向上：500mAグラム⁻¹の電流密度では、15PBS電解液のハードカーボン| ナ₀.₇₂ニ₀.₃₂Mn の₀.₆₈O型₂ 全電池が安定して循環できる 2000 回、最大容量保持率89.5%一方、従来の電解液の電池の同じ条件下での容量保持率は79.9%。

2. 高倍率性能に優れている：高電流密度（例えば600 mA グラム⁻¹）で使用する15PBS電解液の正極材料（NNM）は依然として高い放電容量を維持することができる（55.4 mAh グラム⁻¹)、従来の電解液よりはるかに優れている。

3. 界面安定性向上：QSense QCM-D技術的に監視されたSEIは層の安定性と均一性は、15PBS電解液は界面副反応を効果的に抑制し、電池寿命を延長することができる。

まとめとQCM-D技術の重要な役割

要するに、著者らはロックチェーンを設計した15PBS相から界面への電解質を最適化するための添加剤。15PBS捕獲微量H₂O型電解質の腐食を防ぎ、安定したSEI/CEIについて持続可能な高エネルギー密度を実現するためにSIB。MD のシミュレーション表示、15PBS低下したナ⁺−溶媒和殻中とECの配位数、加速ナ+脱溶媒化し、電極界面上の溶媒蓄積を減少させる。に吸着HC負極上のロックチェーン15PBS除外によるEDLのEC／DEC和H₂O型寄生界面成長を抑制し、活性分子（ci）の局所濃度により、高極性溶媒由来のSEIは（高さpr)を形成することができる。したがって、優先的に分解された15PBSフェニル基を豊富に含む/硫化物成分（RSO の₃R、ナ₂SO₃、ナ₂S）の薄さ（10nm、低温TEM）SEIはを使用して、高いイオン伝導率を確保し、動力学を強化します。経原位EQCMとその場DEMS実証、機械的靭性SEIは良好な電子絶縁性を有し、高温でも効果的に抑制できるSEIはサイクル中の溶解と再生。電解質消費の減少とガス放出の抑制が相乗してサイクル寿命と安全性を向上させる。

この研究は単に15PBSナトリウムイオン電池の性能向上における電解液添加剤の大きな潜在力は、より顕著になったQSense QCM-D技術は電解液を解析している-電極界面相互作用における重要な役割。界面の動的変化をリアルタイムでモニタリングすることにより、研究者は添加剤の作用メカニズムを深く理解することができ、そしてこれに基づいて電解液の処方を最適化し、ナトリウムイオン電池の商業化応用に重要な理論支持と実践指導を提供した。

QSense QCM-D技術はその高感度とリアルタイムモニタリング能力を用いて、新エネルギー材料の研究に強力なツールを提供し、科学研究者が電池技術分野で絶えず新たな突破を得るのを助けた。

基金サポート

国家自然科学基金（U24A20566、22279121）、尭山実験室開放課題計画（2024002）、国家重点研究開発計画（番号 2023YFB3809500）、河南省科学技術研究開発連合基金（222301420009）、河南省重点研究開発計画（231111241400）、鄭州大学等基金プロジェクトはこの研究に重要な資金支援を提供した。

テキストリンク

https://doi.org/10.1038/s41467-025-61603-6