钠金属负极研究进展

发布日期:2019-5-7     浏览次数:863次    发布者:刘春英    

我院毛秉伟课题组与董全峰课题组合作在提高钠金属负极电沉积和溶出可逆性研究中取得新进展,相关成果“Stable Na Plating and Stripping Electrochemistry Promoted by In Situ Construction of an Alloy-Based Sodiophilic Interphase”发表于《先进材料》(Advanced Materials 2019, 1807495)

Advanced Materials 毛秉伟 董全峰 201905 图片.jpg

钠金属作为负极时,其理论容量高达1166 mAhg-1,是目前锂离子电池中石墨负极理论容量(372 mAhg-1)的三倍;同时,钠元素在地壳中的储量丰富,且价格低廉,在大规模应用时具有明显优势。但是,钠金属的电沉积和溶出可逆性差,钠枝晶的产生严重制约了钠金属负极的应用。

毛秉伟课题组与董全峰课题组通过前期的合作发现,当超薄的金层镀在Cu集流体上后,Na在发生体相电沉积前会与Au层形成Na-Au合金层,可以降低钠金属的成核势垒,使钠金属的成核更均匀致密,后续的钠金属沉积也更均匀平整,提高了钠金属沉积和溶出的库伦效率(Nano energy, 2018, 48, 101)。通过熔融Na的亲和性实验,以及NaNa-Au合金表面的结合能计算,明确了Na-Au合金的亲钠性质是提高钠金属电沉积可逆性的主要因素。然而,Au层的引入会带来电池成本的增加,对钠金属在亲钠层上循环后期衰减的机理也不明确。

基于前期的研究,课题组开展进一步的合作研究,发现廉价的Na-SnNa-Sb合金表面也具有亲钠性质,同样可以显著提高钠金属的电沉积和溶出可逆性。然而,无论何种亲钠层,在反复的合金和脱合金作用下都会从Cu箔表面脱落,是导致Na在亲钠界面上循环后期衰减的主要原因。为此,课题组进一步采用粘结剂固定的SnSb颗粒代替物理溅射的SnSb层,同时控制钠金属循环的溶出上限,以避免钠金属电沉积和溶出循环过程中的合金和脱合金反应。结合上述亲钠层的结构设计和电位控制,显著提高了亲钠界面的循环稳定性,使钠金属可以在2 mAcm-2 1 mAhcm-2的条件下稳定循环2000圈,平均库伦效率达到99.9%。以上研究结果为钠电池的商业应用提供了重要基础,对其它金属负极(Li, K, Al, Zn)的研究也具有一定的指导意义。

该工作是在我院毛秉伟教授和董全峰教授共同指导下完成,第一作者为我院2015级博士生唐帅,张伊扬同学和张霞光同学参与了研究工作。我校能源学院李君涛教授在全电池测试中给予了大力支持,我院吴德印教授、郑明森副教授和颜佳伟教授给予了指导和帮助并提出宝贵意见。研究工作得到科技部(项目批准号:2015CB2511022012CB932902),和国家自然科学基金委(项目批准号:2162109121533006U1305246)的资助。

 

Na-SnNa-Sb亲钠界面的论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201807495

前期Na-Au亲钠层的论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518301794