Rational Design of Electrolyte Solvation Structures for Modulating 2e−/4e− Transfer in Sodium–Air Batteries

溶剂化 电解质 材料科学 溶剂化壳 电子转移 阴极 离子 密度泛函理论 功率密度 分子 化学物理 电极 化学 物理化学 计算化学 热力学 物理 有机化学 功率(物理) 冶金
作者
Xiecheng Yang,Chao Peng,Minjie Hou,Da Zhang,Bin Yang,Dongfeng Xue,Yong Lei,Feng Liang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (23) 被引量:45
标识
DOI:10.1002/adfm.202201258
摘要

Abstract In sodium–air batteries (SABs), achieving the regulation of the electron transfer number during oxygen reduction reactions (ORRs) in the same electrolyte system remains a significant challenge. In this work, a promising strategy is proposed to dynamically modulate 2e − /4e − transfer in ORRs by regulating the electrolyte structures to realize the different performances of SABs. The 4e − ORR can be realized by decreasing the electrolyte concentration. The solvation sheath of Na + at dilute concentrations consists mainly of water molecules that hinder the access of Na + to the cathode surface due to the high solvation energies indicated by theoretical calculations, thereby impeding the 2e − reaction. In contrast, excess free water can easily access the cathode surface and trigger the 4e − ORR. The solvation energies of Na + can be remarkably reduced by increasing the electrolyte concentration, forming a water‐in‐salt unit, in which the Na + mainly coordinates with the bis(fluorosulfonyl)imide anion and can be easily released from the solvation sheath. Hence, the 2e − ORR is significantly promoted and becomes the dominant reaction. The SAB based on the 2e − reaction exhibits excellent energy density (15980 Wh kg −1 ) and good cycle performance (300 times), and the 4e − reaction exhibits excellent power density (12.09 mW cm −2 ).
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