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钠金属电极的新集流体——多孔铝

近些年来锂离子电池发展迅猛,但是由于锂资源有限,导致锂电池组件材料价格节节攀升。而地壳中含有丰富的钠资源,所以研究工作者们对钠电池展开了深入的研究,并对廉价的钠电池给予厚望。但是,研究过程中金属钠作为电极,极易产生晶枝,刺穿隔膜,缩短电池寿命

钠金属电极的新集流体——多孔铝

图1 (a) 几种钠集流体的密度 (b) Na-Al的相图 (c) Na沉积在Al上示意图

钠金属电极的新集流体——多孔铝

图2 Na沉积在平面铝和多孔铝上的形貌 (a,c,e)沉积后的平板铝图片、SEM的侧视和俯视(b,d,f) 沉积后的多孔铝图片、SEM的侧视和俯视

 

钠金属电极的新集流体——多孔铝

图3 (a-f) 不同沉积量下沉积后多孔铝的形貌 (g-i)不同沉积量下沉积后平面铝的形貌 (m) 恒流充放电曲线

为了提高电池的循环寿命和电化学性能,研究工作者们在电解液、导电基体等方面进行深入研究。天津大学罗加严课题组,利用多孔铝作为钠金属的集流体抑制钠晶枝产生,从而大大提高了电池的循环寿命

钠金属电极的新集流体——多孔铝

图4多孔铝做钠金属负极的集流体的电化学性能 (a) 恒流循环 (b) 平面铝集流体的恒流循环 (c) 多孔铝集流体的恒流循环 (d) 0.5mA/cm2电流密度下1000次循环的库伦效率 (f) 1mA/cm2电流密度下1000次循环的库伦效率

作者分别用平面铝和多孔铝做为钠沉积基地,来对比钠在循环过程中的电化学性能。在沉积量为1mAh/cm2和0.5V电压下,使用平面铝做集流体沉积钠的电极板循环220h,不断生长的晶枝接触到电极而短路,且循环性能不稳定;使用多孔铝做集流体沉积钠的电极在相同条件下保持形貌不变的循环可达350h,其循环性能相当好,在0.5mA/cm2的电流密度下,循环超过1000次,库伦效率保持99.9%。这足以证明多孔铝做钠电极集流体使电力线分布更均匀

钠金属电极的新集流体——多孔铝

图5 在Na-O2电池中多空铝做钠金属集流体的电化学性能 (a) 电压容量曲线 (b) 循环性能

多孔铝做钠电极集流体的电极组装成电池,并检测其电化学性能,在Na-O2电池中,可保持容量循环200次,而平面铝做集流体的钠电极仅保持容量循环20次;在Na-TiS2电池中,循环350次后比容量仍为首次比容量的50%,而平面铝做基板的钠电极循环150次后,容量快速衰减。

参考文献

Shan Liu, Shan Tang, Xinyue Zhang, Aoxuan Wang, Quan-Hong Yang, Jiayan Luo, Porous Al Current Collector for Dendrite-Free Na Metal Anodes, Nano Lett., DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03185

 

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