孫學良院士團隊：分子層沉積技術用于金屬鈉負極保護

相比于廣泛使用的鋰離子電池，鈉離子電池，室溫鈉硫電池以及鈉空氣電池在大型能源儲存器件的應用上收到了廣泛的關注。其中，金屬鈉被認為是一種極具潛力的鈉離子電池與鈉金屬電池的負極材料。它具有很高的理論比容量與較低的電勢。但是，在電化學沉積過程中，金屬鈉極易與液態電解液發生副反應，形成不穩定的固液電解質界面層?（SEI），從而產生枝晶，刺穿隔膜，降低電池的庫倫效率和壽命。因此，穩定的SEI層是減緩枝晶生長，提高金屬鈉負極性能的關鍵因素之一。

近日，加拿大西安大略大學孫學良院士團隊首次報道了利用分子層沉積技術（MLD）研發新型鋁基有機無機復合薄膜（alucone）作為金屬鈉負極的保護層。結果表明：在不同的電流密度下，金屬鈉負極的循環壽命得到了大幅度的提高。例如，當電流密度為1 mA/cm-2時，純鈉片在循環150h之后，相對電壓開始急劇增長，在250 h之后高于4V。然而，alucone保護過的鈉片可以穩定循環270h以上，其相對電壓穩定在0.3 V。這表明，分子層沉積薄膜可以有效地提高金屬鈉的循環穩定性能。并且，掃面電鏡結果顯示，分子層沉積薄膜可以有效地減緩鈉枝晶的生長，這是提高電化學性能的重要原因。同時，相比于原子層沉積氧化鋁薄膜保護層，分子層沉積alucone薄膜在此種電解液中展現出更優異的性能。

同時，他們還利用不同的表征手段，包括XPS和RBS技術來理解SEI組分的變化。結果表明：分子層沉積薄膜在電化學循環過程中可以穩定存在，其有助于形成穩定的SEI層，從而減少枝晶的生長，提高電化學性能。

圖1. （a）純鈉片和alucone保護鈉片在電化學沉積過程中的示意圖; （b）在Na（100）表面上吸附單一Alone分子的3D和頂視圖。

圖2 純鈉片和alucone保護鈉片在不同電流密度下的循環性能圖

圖3 純鈉片和alucone保護鈉片在電化學沉積過程后的掃描電鏡圖

圖4 純鈉片和alucone保護鈉片的RBS譜圖及其擬合結果

參考文獻：Yang Zhao, Lyudmila V. Goncharova, Qian Zhang, Payam Kaghazchi, Qian Sun, Andrew Lushington, Biqiong Wang, Ruying Li, and Xueliang Sun，Inorganic?Organic Coating via Molecular Layer Deposition Enables Long Life Sodium Metal Anode，Nano letters，DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02464

本文由加拿大西安大略大學孫學良院士課題組的趙陽博士投稿，特此感謝！材料牛編輯整理。

點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！