Adv. Mater: 用于高能量鈉金屬電池的無枝晶鈉金屬陽極

微觀世界 5年前 (2018-06-16) 5883瀏覽

【引言】

Na金屬由于具有較高的理論比容量（1165mAhg-1）和較低的電化學電位（相對于標準氫電極，為-2.714V），因此它成為可充電鈉金屬電池（SMB）的理想陽極。然而，金屬鈉陽極在應用中的主要障礙是安全問題。在Na沉積/溶解持續過程中，Na陽極上樹枝狀晶體的形成和生長會刺穿隔膜使得電池短路，從而導致電池快速過熱或點燃。由于失去電子接觸，Na樹枝狀晶體也可能從Na體金屬陽極中分離出來并變成“死Na”，因此導致電池的容量損失和循環壽命變短。同時，由于Na金屬和液體電解質之間的副反應，在Na陽極表面上反復形成不穩定的固體電解質界面層將不可避免地導致電解質的連續消耗和庫侖效率變低。目前已經開發了一些策略來解決上述問題，以改善Na陽極的庫侖效率和循環穩定性。包括改善電解質配方，用無機和/或有機薄層修飾Na金屬表面，設計復雜的3D集流體。

【成果簡介】

近日，中科院過程工程研究所王丹研究員聯合悉尼科技大學王國秀教授首次引入功能化的共摻雜碳納米管來調控無枝晶納米金屬陽極鈉的成核行為。電極設計的策略是將一片氮和硫共摻雜碳納米管（NSCNT）紙放置在Na金屬箔的頂部作為夾層以形成Na/NSCNT陽極，碳納米管上的N和S官能團誘導引導Na金屬成核在多孔NSCNT紙上均勻鍍覆而不形成枝晶。 因此，在NSCNT紙上實現了非常穩定和高度可逆的Na電鍍和剝離行為，500次循環的平均庫侖效率為99.8％。此外，具有Na/NSCNT電極的對稱電池表現出優異的循環穩定性。此外，Na/ NSCNT陽極的鈉-氧（Na-O2）電池的電化學性能與裸露的Na金屬陽極的Na-O2電池相比循環性能得到顯著的提高。相關研究成果“Dendrite‐Free Sodium‐Metal Anodes for High‐Energy Sodium‐Metal Batteries”為題發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖一?NSCNT?的物相表征和成分表征

（a）Na金屬陽極和Na/NSCNT陽極上的金屬Na剝離/電鍍的示意圖

（b）TEM圖像

（c）NSCNT的HRTEM圖像

（d）NSCNT中C，O，N和S的TEM元素映射

（e-g）XPS調查和NSCNT中N 1和S2P的高分辨率光譜

（h-i）不同放大倍數的NSCNT紙的SEM圖像

（j）原始，彎曲和沖壓的NSCNT紙的光學照片

圖二 DFT計算

（a）Na原子與Al，Cu，CNT，NCNT，SCNT和NSCNT的結合能

（b）Na原子吸附位的變形電荷密度為：b）Al，c）Cu，d）CNT，e）NCNT和f）NSCNT。

圖三 Na在不同集流體上沉積的相關表征

（a）在0.05mA cm-2的電流密度下，在不同集電器上Na成核過程中的電壓-容量曲線

（b）在電流密度為1mA cm-2，容量限制為1mAh cm-2的情況下，在Cu箔，Al箔，CNT紙和NSCNT紙上的鍍Na/剝離的庫侖效率

（c）在第10次，第50次和第100次循環時在不同集電器上的Na電鍍/剝離的相應電壓曲線

（d-f）在0.1mA cm-2的電流密度下，具有0.1mAh cm-2成核能力的NSCNT紙（d），Cu箔（e）和Al箔（f）上的Na沉積的原位SEM圖像

（g-i）在0.1mA cm-2的電流密度下，在成核能力為0.5mAh cm-2下，在NSCNT紙（g），Cu箔（h）和Al箔（i）上沉積Na。

圖四?Na/NSCNT電極的循環穩定性

（a）比較在1mA cm-2的電流密度和1mAh cm-2的容量限制下，Na和Na/NSCNT電極在對稱電池中的循環穩定性

（b-d）第1次，第20次，第100次和第200次循環中裸露的Na和Na/NSCNT電極的相應電位分布

（e）20次循環之前和之后Na陽極和Na/NSCNT陽極的原位SEM圖像

圖五?Na/NSCNT陽極的Na-O2電池性能

（a）具有Na/NSCNT陽極和CB陰極的Swagelok型Na-O2電池的示意圖

（b-d）Na電極與Na陽極和Na/NSCNT陽極的循環性能，電流密度為1mA cm-2，容量限制為0.5 mAhcm-2

（c，d）不同周期的對應充電/放電電壓-容量分布曲線

【小結】

NSCNT是通過簡單的熱解方法合成的。 由于NSCNT表面含有N和S官能團，由NSCNT制成的柔性NSCNT紙顯示出嗜熱性，以促進Na的沉積。將Na金屬箔作為Na源和NSCNT紙作為高表面積Na電鍍夾層的Na/NSCNT陽極在重復Na電鍍和剝離以及優異的循環穩定性中表現出無枝晶形態。此外，使用Na/NSCNT陽極的Na-O2電池的循環性能得到明顯的改善。提出的引入中間層控制鈉電鍍行為的策略可能為開發下一代高能量鈉金屬電池開辟新的途徑。

文獻鏈接：“Dendrite‐Free Sodium‐Metal Anodes for High‐Energy Sodium‐Metal Batteries”(Adv.Mater.?DOI: 10.1002/adma.201801334)

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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