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无枝晶钠金属负极用于高能钠金属电池

金属Na具有较高的理论比容量(1165 mAh/g)和较低的电化学电位,是理想的钠金属电池(SMB)负极材料。然而目前钠金属仍存在一些比较严重的问题没有解决。首先金属钠负极在连续的充放电过程中会形成枝晶穿透隔膜,引起电池短路从而导致电池过热甚至自燃等严重安全问题。其次在充放电过程中枝晶会脱离Na金属负极变成“死钠”导致电池容量损失和减少循环寿命。另外由于Na金属和液体电解质之间的副反应,在Na负极表面上反复形成不稳定的SEI膜,消耗电解质并导致库仑效率低。目前采用的解决方法有优化电解液配方、修饰Na金属表面和设计复杂的3D集流体。

有关Li金属负极的研究表明,引导Li初始成核阶段实现其集流体上的均匀沉积是至关重要的。具有大量Li成核位点的高表面积集流体将降低局部电流密度,降低Li核尺寸并因此限制Li枝晶的生长。受锂金属负极研究的启发,开发具有高比表面积的“亲钠”矩阵促进Na金属的沉积和剥离解决枝晶生长问题有效方法

悉尼科技大学汪国秀教授课题组首次引入功能化的共掺杂碳纳米管中间层来调控无枝晶纳米钠金属负极的成核行为。将氮和硫共掺杂碳纳米管(NSCNT)放置在Na金属箔的顶部作为中间层以形成Na/NSCNT负极,如图 1 所示。碳纳米管上的N和S官能团引导初始Na成核和直接在多孔NSCNT纸上均匀沉积而不形成枝晶碳纳米管上的N和S官能团可以引导Na初始成核并且直接在多孔NSCNT纸上均匀沉积而不形成枝晶。最终获得了非常稳定和高度可逆的Na沉积和剥离行为,500次循环平均库仑效率为99.8%。 此外,Na/NSCNT对称电池也表现出优异的循环稳定性。当用于在钠-氧(Na-O2)电池中,相对于单纯钠金属负极,Na /NSCNT负极的电化学性能明显提高。

无枝晶钠金属负极用于高能钠金属电池

 

图1. a)Na金属负极和Na / NSCNT负极上的金属Na沉积示意图。NSCNT的b)TEM和c)HRTEM图像。d)NSCNT中C,O,N和S的TEM元素mapping。e-g)NSCNT的XPS图。h,i)NSCNT的SEM图。j)NSCNT照片。

无枝晶钠金属负极用于高能钠金属电池

 

图2. a)Na原子与Al,Cu,CNT,NCNT,SCNT和NSCNT的结合能。Na原子和b)Al,c)Cu,d)CNT,e)NCNT和f)NSCNT吸附位的变形电荷密度。

无枝晶钠金属负极用于高能钠金属电池

 

图3.a)对称电池中Na和Na / NSCNT电极的循环稳定性的比较。b-d)第1次,第20次,第100次和第200次循环中Na和Na / NSCNT电极的相应电位分布。e)20次循环之前和之后Na负极和Na / NSCNT负极的原位SEM图像。

无枝晶钠金属负极用于高能钠金属电池

 

图4.a)Na-O2电池示意图。b-d)Na和Na / NSCNT负极在Na-O2电池中的循环性能b)循环期间Na-O2电池的电压-时间曲线。c,d)不同周期的对应充电/放电电压-容量分布曲线。

Bing Sun, Peng Li, Jinqiang Zhang, Dan Wang, Paul Munroe, Chengyin Wang, Peter H. L. Notten, Guoxiu Wang, Dendrite‐FreeSodium‐Metal Anodes for High‐Energy Sodium‐Metal Batteries, Adv. Mater., 2018, DOI:10.1002/adma.201801334

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