彭慧勝Angew.：親鈉性界面調控高容量、超高穩定性金屬鈉電池

金也 4年前 (2019-09-23) 5111瀏覽

彭慧勝Angew.：親鈉性界面調控高容量、超高穩定性金屬鈉電池

【研究背景】

金屬鈉（Na）因其理論容量高（1166 mAh g-1）而被認為是可充式高能電池最具吸引力的負極材料之一。較低的氧化還原電位（2.714 V vs標準氫電極）和比金屬鋰（Li）更高的豐度。然而，由于不均勻沉積而形成的鈉枝晶會降低循環穩定性差的活性鈉的利用率，更重要的是，導致內部短路對熱失控和火災危險的威脅。因此，鈉枝晶及其相關問題嚴重阻礙了鈉金屬電池如鈉空氣電池和室溫鈉硫電池的實際應用。

為解決這些問題，近年來，通過采用各種策略，包括人工固體電解質界面（SEI）、電解質添加劑、固態電解質、和納米結構Na陽極等，取得了重大進展。這些策略主要集中在已形成的鈉鍍層形態，即鈉枝晶，而較少涉及初始的鈉沉積行為，包括成核。然而，最終的鈉形態顯著地取決于初始成核行為，特別是取決于需要高面積容量的實際應用（例如，10 mAh cm-2）通過在電流收集器中引入雜原子（如N和S）來改善Na/Li成核過程，同時屈服陽極顯示出有限的容量。因此，Na陽極在高循環下通常表現出非常差的穩定性區域容量。雖然有一些關于鈉陽極循環壽命>1000 h的報道，但這些高穩定性僅在鈉面積容量非常低（<2mAh cm-2）時實現。據我們所知，預期面積容量≥10mAh cm-2的Na陽極的穩定循環（>1000 h）從未報道過。因此，如何有效地利用高容量的Na來制備穩定的陽極具有重要的意義。

【成果簡介】

? 近日，復旦大學彭慧勝教授（通訊作者）和王兵杰副研究員在鈉金屬電池領域取得重大進展，其成果發表在頂級期刊Angew. Chem. Int. Edit. 文章題目為“Sodiophilic interphase mediated, dendrite-free anode with ultrahigh specific capacity for sodium-metal batteries”。該文章報道了一種基于氧官能化碳納米管網絡的親鈉界面，該界面同時促進了鈉的均勻成核和無枝晶的橫向生長行為。這一嗜鈉界面相使產生的鈉陽極具有1078 mAh g-1的超高容量（10 mAh cm-2的面積容量），接近純鈉1166 mAh g-1的理論容量，以及長達3000個循環的長循環壽命。

【圖文簡介】

圖1 傳統銅基底上鈉沉積過程及碳納米管網絡的嗜鈉性示意圖

a. 在傳統的基底（如銅箔）上，鈉離子集中在隨機分布的突起或缺陷上，然后生長成一維枝晶。

b. 在Of-CNT(碳納米管)網絡中，鈉通量均勻地引導成核并圍繞嗜堿官能團生長。Na不僅可以在cnt骨架上生長，還可以在網絡中形成空洞，形成無枝晶形態。

圖2 不同鈉化狀態下碳納米管陽極Na@Of-CNT的頂部和橫截面掃描電鏡表征

a-c. 鍍Na前CNT網絡的原始狀態。

d-f. 面積鈉容量為5mAh cm-2的Na@Of-CNT電極。

g-i. 面積容量為10mah cm-2的Na@Of-CNT電極。

j-l. 經過200次鈉鍍/剝離循環，完全剝離Na后的Of-CNT網絡。

圖3 Na@Of-CNT電極的電化學表征

a-b. 1mA cm-2, 1mAh cm-2時，Na@Of-CNT, Na@p-CNT和Na@Cu電壓曲線和對應的CE曲線。

c-d. 5mA cm-2, 5mAh cm-2時，Na@Of-CNT, Na@p-CNT和Na@Cu電壓曲線和對應的CE曲線。

e. 1mA cm-2, 1mAh cm-2時，Na@Of-CNT, Na@p-CNT和Na@Cu恒電流循環曲線.

f. Na@Of-CNT, Na@p-CNT和Na@Cu循環前后的阻抗曲線。

g. 不同電流密度下，Na@Of-CNT的速率性能

圖4 Of-CNT的嗜鈉性

a. 用于dft計算的原子模型。

b.Of-CNT中不同官能團的結合能。

c-d. Of-CNT和p-CNT在Na吸附點的形變電荷密度。

e-f. 用dft計算Of-CNT和銅箔表面的Na生長行為。

圖5 鈉-空氣電池表征

a-b. Na@Of-CNT和Na板裸陽極鈉-空氣電池在1000 mA g-1和500 mAh g-1下的放電/充電曲線

c. a和b中鈉-空氣全電池的相應循環性能。

【小結】

? 該研究以氧官能化碳納米管網絡為基礎合成了高容量、長壽命鈉金屬電池的親鈉界面相，展示了一種簡便、通用的制備策略。堅固的嗜鈉界面促進了初始電鍍階段鈉的均勻形核，并引導隨后的橫向鈉鍍層形成無枝晶形態。所制備的Na@Of-CNT電極具有超高的比容量，接近純Na和超長壽命的理論容量。基于碳納米管陽極穩定的Na@Of-CNT，相應的Na空氣電池的循環性能比傳統的Na陽極提高了5倍。在不久的將來，這種高鈉相間的設計將為高容量鈉陽極的實際應用開辟一條新的途徑。

文獻鏈接：Sodiophilic interphase mediated, dendrite-free anode with ultrahigh specific capacity for sodium-metal batteries. 2019, Angew. Chem. Int. Edit., DOI: 10.1002/anie.201910202.

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