EES: 基于钠离子导电固态聚合物电解质的新型无负极海水电池

海水电池（SWB）主要用于大规模储能和海洋应用。在SWB中，水系正极液（海水）和非水系负极液（非质子溶剂溶液）由NASICON固体电解质膜物理分离。鉴于海水中几乎无限的Na⁺供应，能量储存仅受负极中Na储存量限制。因此，SWB无需主体材料即可通过储存金属Na来实现最高的体积和重量能量密度。

在此，德国乌尔姆亥姆霍兹研究所Stefano Passerini教授、Alberto Varzi及Guk-Tae Kim等人提出了一种由聚环氧乙烷（PEO）、钠盐和离子液体的混合物构成的新型高导电性（20 ℃下超过1 mS cm^-1）钠离子导电固态聚合物电解质（Na-SPE）。该电解质与钠超离子导体（NASICON）固体电解质相结合，从而组成了钠-海水电池（Na-SWB）。尽管具有相似的结构，但Na-SPE的离子电导率高于锂离子导体固态聚合物电解质，这是由于Na盐的离子对离解能低于锂盐。

目前，传统的Na-SWB通常通过从无限供应的海水正极到负极主体的钠离子可逆存储来运行，这意味着可通过应用高容量负极（如金属钠或合金/转化材料）来实现高能量密度。为此，作者提出了一种无负极的固态Na-SWB，方法是引入 Na-SPE作为负极液，而负极室中最初不存在任何金属钠。

图1. Na-SPE的表征

Na-SPE可充当NASICON固体电解质和负极集流体之间的软界面层，在钠剥离时自动补偿孔形成。此外，由于电池在制造过程中不涉及金属钠，因此可以在低湿度环境中安全组装，从而大大降低了安全措施方面及高活性金属钠的生产成本。在充电过程中，钠离子直接从海水中提取并以镀钠的形式储存在负极集流体上，正负极发生的电化学过程分别为：2OH^– (aq) → H₂O +1/2O₂ (g) + 2e^– （+NaClO 作为副产物）和Na⁺+e^– →Na。相反，在放电过程中，必要时通过从负极集流体中剥离金属钠来产生能量。

因此，在正负极发生的整体电化学过程分别为：2Na⁺ + H₂O +1/2O₂ (g) +2e^– → 2NaOH (aq) 和Na →Na⁺ +e^–。在室温下，器件的整体往返能效（RTE）超过85%。这项研究结果表明，Na-SWBs是下一代大型固定式储能系统和高效钠金属收集系统的合适候选者。

图2. 基于Na-SPE的无负极Na-SWB电化学性能

Anode-less seawater batteries with Na-ion conducting solid-polymer electrolyte for power to metal and metal to power energy storage, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE00609J