华科:复合电池负极设计解决固态电解质界面稳定剂低溶解度问题

金属Na具有高比容量、低电极电位和丰富的自然资源等优势,被认为是最有前景的Na基可充电电池负极材料之一(www.wr360.cn)。然而,其本身固有的与电解液之间的高反应活性、不可控的枝晶生长以及加工性差等问题,限制了金属Na的实际应用。在目前的研究中,通过采用人造固态电解质界面(solidelectrolyteinterface,SEI)、复合Na金属负极设计、固态电解质以及优化电解液成分等策略,为提高Na金属负极的电化学性能指明了方向。在所有的策略中,通过向电解液中添加SEI稳定剂来形成稳定的SEI以保护金属Na是最为简单和行之有效的方法。但是,SEI稳定剂的应用严重受阻于其在电解液中低溶解度的问题。

近日,华中科技大学孙永明教授课题组通过机械揉和的方法,将SEI稳定剂NaNO3均匀封装进金属Na基体中,制备出了Na/NaNO3复合箔。在这个结构中,NaNO3被原位还原并且形成了稳定的富含NaNxOy和Na3N等组分的SEI,由于这些组分具有高的离子电导率,可以有效均匀Na+通量并且加速它们在SEI中的扩散,其与电解液之间的副反应也大大减少。值得注意的是,得益于金属Na中均匀的NaNO3以及其还原组分的植入,Na/NaNO3复合电极的加工性也得到了提高。当使用商用碳酸酯电解液时,Na/NaNO3电极在对称电池中可以稳定循环600h并且具有非常低的电压极化(0.5 mA cm-2and 0.5 mAhcm-2)。当组装成全电池时,在负极固定∼5 mAh cm-2的活性Na的条件下,Na/NaNO3||Na3V2(PO4)2O2F (NVPOF)可以稳定循环180次,而Na||NVPOF在循环70次后即出现了快速的容量衰减。该项研究为二次碱金属电池负极的研究指明了新的方向。

图1.(a)机械揉和法制备Na/NaNO3复合电极的示意图。(b)制备好的Na/NaNO3复合电极和金属Na电极的数码照片。(c)Na/NaNO3复合电极和金属Na电极在纽扣电池中承受10MPa的压力后的数码照片。(d)Na/NaNO3复合电极的XRD图谱。(e-f)Na/NaNO3复合电极高分辨N1s、O1s、Na 1sXPS图谱。

图2.(a)Na/NaNO3||Na/NaNO3和Na||Na对称电池的电压分布曲线。(b)Na/NaNO3||NVPOF and Na||NVPOF电池的循环性能图和(c)对应的电压分布曲线。(d,e)Na/NaNO3||Na/NaNO3和Na||Na对称电池在经历不同循环后的Nyquist图。(f)Na/NaNO3电极在经历50次循环后的表面高分辨N1sXPS图谱。

近日,国际材料领域知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》线上刊发了相关研究成果《Addressing the Low Solubility of a Solid Electrolyte Interphase Stabilizer in an Electrolyte by Composite Battery Anode Design》。该研究工作第一完成单位为华中科技大学武汉光电国家研究中心,得到了国家自然科学基金(No. 520721137, 51802105)的资助。

来源:华中科技大学

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c01571

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