钠离子扣式电池的组装之所以必须在严格控制的惰性环境中进行，是因为活性材料与环境空气在化学上不兼容。具体来说，钠盐电解质和特种正极材料在接触湿气和二氧化碳后会迅速降解。实验室手套箱通过将水和氧气的浓度维持在百万分之一 (ppm) 以下来防止这种情况发生。
通过消除湿气和氧气，手套箱可以防止不可逆的副反应和表面污染。这确保了测试期间捕获的性能数据代表了材料的真实电化学活性，而不是由环境降解引起的伪影。
钠离子组件的化学脆弱性
正极材料的敏感性
先进的正极材料，例如径向梯度正极，对环境污染物高度敏感。
暴露在空气中时，这些材料的表面可能会发生不受欢迎的离子交换。
此外，它们很容易与二氧化碳 ($CO_2$) 和湿气发生反应，在电池组装之前就会改变其化学结构。
电解质的不稳定性
这些电池中使用的钠盐电解质在标准大气条件下不稳定。
它们是严格的无水（无水）系统；暴露于湿气会引发水解。
这种反应会降解电解质盐，并可能产生腐蚀电池内部组件的有害副产物。
金属钠和钠盐的反应性
金属钠，通常用作负极或对电极，其作用类似于锂，但仍然具有高度反应性。
它在空气存在下容易氧化，形成一层绝缘的氧化层，阻碍离子流动。
此外，电池中使用的牺牲盐具有吸湿性，这意味着它们会吸收空气中的水分，从而对它们的分解电位和整体稳定性产生负面影响。
手套箱环境的作用
实现超低浓度
标准的实验室环境不足以进行钠离子组装；需要专用的惰性气氛。
手套箱利用循环净化系统持续净化内部气氛。
该系统将氧气和湿气含量维持在极低的浓度，通常低于 1 ppm。
防止表面副反应
这种受控环境的主要目标是保护材料界面。
通过去除反应性气体，手套箱在关键的组装阶段防止了材料表面的副反应。
这种隔离是确保固体电解质和活性材料电化学稳定性的唯一方法。
理解污染的风险
微量污染的后果
即使是微量的湿气或氧气——人眼无法检测到的水平——也可能破坏实验。
如果环境未保持在 1 ppm 以下，记录的初始电化学活性将不准确。
这会导致假阴性，研究人员可能会放弃一种有前途的材料，而该材料只是由于组装条件差而不是固有的缺陷而失效。
对循环稳定性的影响
污染不仅影响第一个循环；它会影响长期稳定性。
电池内部残留的湿气可能导致在循环过程中电解质持续降解。
这会导致放电容量差和循环稳定性差，无法反映材料的实际潜力。
为您的目标做出正确的选择
为确保您的钠离子电池研究的有效性，您必须根据您的具体目标优先考虑环境控制。
- 如果您的主要重点是准确表征：确保您的手套箱循环系统经过验证，能够维持 $<1$ ppm 的 $O_2$ 和 $H_2O$，以防止表面离子交换。
- 如果您的主要重点是电解质开发：在惰性气氛中严格处理所有钠盐和吸湿性添加剂，以防止水解和酸度变化。
最终，手套箱不仅仅是一种储存工具；它是有效、可重复的钠离子电化学的基础基线要求。
摘要表：
| 敏感组件 | 主要威胁 | 暴露于空气的影响 |
|---|---|---|
| 钠正极 | $H_2O$ & $CO_2$ | 表面离子交换和结构改变 |
| 钠盐电解质 | 湿气 | 水解和腐蚀性副产物的产生 |
| 金属钠/钠盐 | 氧气和湿气 | 氧化层和吸湿性分解 |
| 电池界面 | 微量污染物 | 不可逆副反应和循环稳定性差 |
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参考文献
- Ming-Huang Li, Ji Liang. Water and Carbon Dioxide‐Resistant Cathode With Radial Phase and Valence Gradient Distribution via Composition Regulation. DOI: 10.1002/cey2.70115
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
