Adv. Mater: 用于高能量钠金属电池的无枝晶钠金属阳极

微观世界 7年前 (2018-06-16) 6761浏览

【引言】

Na金属由于具有较高的理论比容量（1165mAhg-1）和较低的电化学电位（相对于标准氢电极，为-2.714V），因此它成为可充电钠金属电池（SMB）的理想阳极。然而，金属钠阳极在应用中的主要障碍是安全问题。在Na沉积/溶解持续过程中，Na阳极上树枝状晶体的形成和生长会刺穿隔膜使得电池短路，从而导致电池快速过热或点燃。由于失去电子接触，Na树枝状晶体也可能从Na体金属阳极中分离出来并变成“死Na”，因此导致电池的容量损失和循环寿命变短。同时，由于Na金属和液体电解质之间的副反应，在Na阳极表面上反复形成不稳定的固体电解质界面层将不可避免地导致电解质的连续消耗和库仑效率变低。目前已经开发了一些策略来解决上述问题，以改善Na阳极的库仑效率和循环稳定性。包括改善电解质配方，用无机和/或有机薄层修饰Na金属表面，设计复杂的3D集流体。

【成果简介】

近日，中科院过程工程研究所王丹研究员联合悉尼科技大学王国秀教授首次引入功能化的共掺杂碳纳米管来调控无枝晶纳米金属阳极钠的成核行为。电极设计的策略是将一片氮和硫共掺杂碳纳米管（NSCNT）纸放置在Na金属箔的顶部作为夹层以形成Na/NSCNT阳极，碳纳米管上的N和S官能团诱导引导Na金属成核在多孔NSCNT纸上均匀镀覆而不形成枝晶。 因此，在NSCNT纸上实现了非常稳定和高度可逆的Na电镀和剥离行为，500次循环的平均库仑效率为99.8％。此外，具有Na/NSCNT电极的对称电池表现出优异的循环稳定性。此外，Na/ NSCNT阳极的钠-氧（Na-O2）电池的电化学性能与裸露的Na金属阳极的Na-O2电池相比循环性能得到显著的提高。相关研究成果“Dendrite‐Free Sodium‐Metal Anodes for High‐Energy Sodium‐Metal Batteries”为题发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图一 NSCNT 的物相表征和成分表征

（a）Na金属阳极和Na/NSCNT阳极上的金属Na剥离/电镀的示意图

（b）TEM图像

（c）NSCNT的HRTEM图像

（d）NSCNT中C，O，N和S的TEM元素映射

（e-g）XPS调查和NSCNT中N 1和S2P的高分辨率光谱

（h-i）不同放大倍数的NSCNT纸的SEM图像

（j）原始，弯曲和冲压的NSCNT纸的光学照片

图二 DFT计算

（a）Na原子与Al，Cu，CNT，NCNT，SCNT和NSCNT的结合能

（b）Na原子吸附位的变形电荷密度为：b）Al，c）Cu，d）CNT，e）NCNT和f）NSCNT。

图三 Na在不同集流体上沉积的相关表征

（a）在0.05mA cm-2的电流密度下，在不同集电器上Na成核过程中的电压-容量曲线

（b）在电流密度为1mA cm-2，容量限制为1mAh cm-2的情况下，在Cu箔，Al箔，CNT纸和NSCNT纸上的镀Na/剥离的库仑效率

（c）在第10次，第50次和第100次循环时在不同集电器上的Na电镀/剥离的相应电压曲线

（d-f）在0.1mA cm-2的电流密度下，具有0.1mAh cm-2成核能力的NSCNT纸（d），Cu箔（e）和Al箔（f）上的Na沉积的原位SEM图像

（g-i）在0.1mA cm-2的电流密度下，在成核能力为0.5mAh cm-2下，在NSCNT纸（g），Cu箔（h）和Al箔（i）上沉积Na。

图四 Na/NSCNT电极的循环稳定性

（a）比较在1mA cm-2的电流密度和1mAh cm-2的容量限制下，Na和Na/NSCNT电极在对称电池中的循环稳定性

（b-d）第1次，第20次，第100次和第200次循环中裸露的Na和Na/NSCNT电极的相应电位分布

（e）20次循环之前和之后Na阳极和Na/NSCNT阳极的原位SEM图像

图五 Na/NSCNT阳极的Na-O2电池性能

（a）具有Na/NSCNT阳极和CB阴极的Swagelok型Na-O2电池的示意图

（b-d）Na电极与Na阳极和Na/NSCNT阳极的循环性能，电流密度为1mA cm-2，容量限制为0.5 mAhcm-2

（c，d）不同周期的对应充电/放电电压-容量分布曲线

【小结】

NSCNT是通过简单的热解方法合成的。 由于NSCNT表面含有N和S官能团，由NSCNT制成的柔性NSCNT纸显示出嗜热性，以促进Na的沉积。将Na金属箔作为Na源和NSCNT纸作为高表面积Na电镀夹层的Na/NSCNT阳极在重复Na电镀和剥离以及优异的循环稳定性中表现出无枝晶形态。此外，使用Na/NSCNT阳极的Na-O2电池的循环性能得到明显的改善。提出的引入中间层控制钠电镀行为的策略可能为开发下一代高能量钠金属电池开辟新的途径。

文献链接：“Dendrite‐Free Sodium‐Metal Anodes for High‐Energy Sodium‐Metal Batteries”(Adv.Mater. DOI: 10.1002/adma.201801334)

本文由材料人编辑部学术组微观世界编译供稿，材料牛整理编辑。

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