天津大學羅加嚴Nano Lett.: 多孔鋁箔助力“無枝晶”鈉金屬負極

【引言】

鈉元素在地球上豐富的儲量，室溫下可用的鈉離子電池超越鋰離子電池成為了極具發展潛力的儲能器件。金屬鈉直接作為負極材料時，面臨著類似金屬鋰但更嚴峻的問題是，金屬鈉表面的不均勻沉積/鍍層剝離導致枝晶的形成，從而影響電池最終的性能。作為一個電鍍的基層，集流體對金屬鈉的不均勻鍍層生成/剝離問題有直接的影響。

【成果簡介】

近日，來自天津大學化工學院的羅加嚴教授（通訊作者）課題組在Nano Letters上發表了一篇題為“Porous Al Current Collector for Dendrite-Free Na Metal Anodes”的文章。該文章介紹了一種多空鋁集流體，該集流體作為沉積基底能夠抑制金屬鈉枝晶的生長。基于金屬鋁不與金屬鈉發生合金化反應的前提，金屬鋁作為集流體在成本和質量上皆優于銅集流體。同時，制備得到的多孔鋁集流體內部相通的孔結構，能夠為金屬鈉提供形核表面，并減少鈉離子的流量分布，促使其形成均勻的鍍層結構。由多孔鋁集流體制備得到的金屬鈉電池，能夠在穩定的低電壓滯環條件下穩定循環超過1000次，平均沉積/剝離過程的庫倫效率能夠超過99.9 %，與平面鋁集流體相比有很大的提升。同時，研究人員還將該多孔鋁集流體用于含低量金屬鈉的Na-O₂電池、Na-Na₃V₂(PO₄)₃和不含負極材料的Na-TiS₂電池中，并推測該策略能夠用于結合電解質和正極材料中，從而進一步開發高性能的鈉離子電池。

【圖文導讀】

圖1 控制金屬Na在多孔Al集流體上的沉積

（a）用于鈉離子電池負極材料與金屬鈉負極的不同集流體密度對比

（b）Na-Al的相圖（證明材料不發生合金化反應）

（c）循環前后，金屬鈉在平整和多孔鋁箔（集流體）上的沉積示意圖

圖2 金屬鈉在平面和多孔鋁箔上沉積的對比圖

（a）平整鋁箔沉積/剝離循環前后的宏觀圖像

（b）多孔鋁箔沉積/剝離循環前后的宏觀圖像

（c）和（e）平整鋁箔循環前后的截面和平面SEM圖

（d）和（f）多孔鋁箔循環前后的截面和平面SEM圖

圖3?以1M NaPF₆的二甘醇二甲醚溶液作為電解液時，多孔鋁箔應用于金屬鈉負極材料的電化學性能表征

（a）使用平整和多孔鋁箔，金屬鈉對電池的恒電流循環性能對比

（b），（c）電流密度為0.5 mA cm^-2時，平整和多孔鋁箔集流體上金屬鈉沉積/剝離的循環電壓曲線（小圖表示不同循環圈數時電壓曲線）

（d）電流密度為0.5 mA cm^-2時，多孔鋁箔上沉積0.25 mAh cm^-2金屬鈉循環1000圈的庫倫效率

（e）電流密度為1 mA cm^-2時，多孔鋁箔上沉積0.5 mAh cm^-2金屬鈉循環1000圈的庫倫效率

【小結】

研究者首次提出多孔鋁箔能夠作為抑制鈉枝晶生長的沉積基底，其獨特的中通孔結構能夠為金屬鈉的形核提供更大的表面積，同時能夠減少Na⁺的流量分布，促使其形成均勻的鍍層結構。制備得到的金屬鈉電池，能夠在穩定的低電壓滯環條件下穩定循環超過1000次，平均沉積/剝離過程的庫倫效率能夠超過99.9 %。同時，多孔鋁箔作為集流體在Na-O₂和Na-Na₃V₂(PO₄)₃中的應用，進一步證明了其全電池應用概念的可行性。顯然，鋁箔的多孔結構特性能夠顯著地提升電池的電化學性能，其最優條件還有待進一步研究，另外，該工作為之后探究金屬鈉負極材料在鈉金屬電池中的應用鋪平了道路。

文獻鏈接：Porous Al Current Collector for Dendrite-Free Na Metal Anodes (Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03185)

本文由材料人編輯部新能源小組 沐雨若晴 整理編譯。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 466065952”

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