王春生/鲁小川Nature Nanotechnology：实用化低温钠金属电池！

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研究背景

钠离子/钠金属电池已被公认是可再生能源市场锂离子电池最有前途的替代品之一，因为钠的特性与锂离子电池相似，但成本较低。与液态电解质钠离子电池相比，固态钠电池（SSNB）可以同时实现高能量/功率密度和卓越的安全性，从而降低制造和维护成本。所有这些都使SSNB成为可再生能源应用的理想能源。

固态电解质（SSE）是SSNB的关键组件。理想的SSE应该具有较高的钠离子导电性（即σNa≥10-4 S cm-1），可忽略不计的电子导电性，与电极的优异兼容性，卓越的钠枝晶抑制能力，宽的电化学稳定窗口，以及在较低的工作温度（甚至是室温）下令人满意的机械强度。目前，Na超离子导体、硫化物基固体电解质（例如Na3PS4、xNa2S(100-x)P2S5和Na3SbS4）以及β’-氧化铝（β’-Al2O3）固体电解质（BASE）已经得到了广泛研究。
在所有导钠离子的SSE中，BASE具有较高的离子导电性（RT和300°C分别为~1×10-3和~0.2 S cm-1），电子导电性可忽略不计，以及与电极材料的优异兼容性和/或化学稳定性。目前，BASE膜用于高温（280-350°C）钠硫（Na-S）和卤化钠（ZEBRA）电池。高温增加了制造和维护成本，导致性能下降，并引起安全问题。将温度降低到钠金属熔点以下将抑制这些问题。然而，它带来了另一个问题，电极界面阻抗显著增加，这往往会导致钠枝晶的形成。

成果简介

王春生/鲁小川Nature Nanotechnology：实用化低温钠金属电池！

马里兰大学王春生教授和北卡农工州立大学鲁小川博士在Nature Nanotechnology上发表文章，Interfacial-engineering-enabled practical low-temperature sodium metal battery，利用界面工程解决了界面的阻抗大的问题，实现了低温下实用化的钠金属电池。
具体地，作者将约37 wt%氧化钇稳定的氧化锆加入到BASE(β’-Al2O3)形成YSZ@BASE，在80°C下，界面电阻从6.6 Ω cm2（BASE/Na）降至3.6 Ω cm2（YSZ@BASE/Na），并在>330小时的循环中保持了低界面电阻。在80°C的~0.18 MPa的温和压力下，对称Na/YSZ@BASE/Na电池的临界电流密度（CCD）达到了非常高的值~7.0 mA cm-2，几乎是没有YSZ的BASE的五倍（~1.5 mA cm-2）。作者用富Ni阴极组装了准固态Na/YSZ@BASE/NaNi0.45Cu0.05Mn0.4Ti0.1O2全电池，在电解质与阴极界面添加了微量的共晶NaFSI-KFSI熔盐，来降低阴极界面的阻抗。在4C的倍率下，全电池初始容量为110 mAh g-1，并在500个周期内能保持73%的容量，库仑效率>99.99%。
广泛的表征和理论计算证明，富含稳定β-NaAlO2的SEI和强大的YSZ支撑体在抑制钠枝晶方面发挥着关键作用，因为它们保持了稳定的界面接触，降低了电子传导，并通过氧离子补偿防止了BASE的持续还原。
与最先进的Na-S、ZEBRA和其他固态电池相比，这项研究代表了一种新的钠电池类别，其工作温度明显更低，安全性更高。

图文详情

王春生/鲁小川Nature Nanotechnology：实用化低温钠金属电池！
图1. YSZ@BASE的表征

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图2. 室温下和80℃下YSZ@BASE/Na的界面表征

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图3. 80℃下YSZ@BASE/Na金属界面的反应

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图4. YSZ@BASE在80℃下的枝晶抑制能力和界面化学性质

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图5. 80℃下YSZ@BASE/Na界面的稳定机理

王春生/鲁小川Nature Nanotechnology：实用化低温钠金属电池！

图6. 带有YSZ@BASE和Na阳极的高压电池性能测试

原文链接

Deng, T., Ji, X., Zou, L. et al. Interfacial-engineering-enabled practical low-temperature sodium metal battery. Nat. Nanotechnol. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41565-021-01036-6

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