南开大学焦丽芳教授AEM：超长循环稳定性钠金属电池最新进展！

锂电联盟会长 2024-09-12 09:30 1015浏览 0评论 0点赞

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钠金属电池（SMBs）作为下一代高能量密度低成本的先进二次电池，因钠金属阳极的高内在活性而面临界面副反应和枝晶生长问题，导致电池性能下降和安全隐患。为了解决这些问题，研究者们开发了多种策略，包括构建人工固态电解质界面、优化电解液体系、设计三维集流体和开发全固态电解质。特别是三维集流体中引入活性亲钠位点，如特定表面功能团和金属位点，能有效调节钠的成核和沉积行为，抑制枝晶生长。然而，这些方法制备过程复杂且成本高。

近日，南开大学焦丽芳教授团队提出了一种创新的方法，通过累积滚轧键合技术制备了嵌入有掺锑氧化锡（ATO）纳米颗粒的钠(100)纹理复合阳极（ATO-12Na）。这种设计利用了钠(100)纹理和ATO活性位点的高亲钠性，不仅促进了在复合阳极表面形成富含无机物的固体电解质界面层，还有效引导了钠的均匀和水平沉积。实验结果表明，这种集成复合阳极在钠沉积/剥离过程中展现出了卓越的稳定性，对称电池在2 mA cm⁻²的电流密度下能够稳定运行超过1400小时，且过电位仅为约33 mV。此外，当与Na₃V₂(PO₄)₃（NVP）阴极组装成全电池时，实现了超过4500个循环的长期循环稳定性，容量保持率高达80.7%。这项工作为设计高稳定性、无枝晶、高性能的钠金属电池提供了新途径。

该成果以“Na (100)-Textured Electrode Embedded with Sb-Doped SnO₂ Nanoparticles for Dendrite-Free Sodium Metal Batteries”为题发表在《Advanced Energy Materials》期刊，第一作者是Li Zhaopeng。

（电化学能源整理，未经申请，不得转载）

【工作要点】

研究者通过累积滚轧键合技术制备了嵌入有掺杂锑的氧化锡（ATO）纳米颗粒的钠(100)纹理复合阳极（ATO-12Na），该结构不仅有助于在复合阳极表面形成富含无机物的固体电解质界面层，还有效促进了钠的均匀和水平沉积。得益于钠(100)纹理的内在亲钠性以及ATO活性位点的高亲钠性，所制备的复合阳极在钠沉积/剥离过程中展现出了卓越的稳定性，对称电池在2 mA cm⁻²的电流密度下能够稳定运行超过1400小时，过电位仅为约33 mV。此外，与Na₃V₂(PO₄)₃（NVP）阴极组装的全电池在500 mA g⁻¹的电流密度下循环超过4500次，容量保持率高达80.7%，显示了其在钠金属电池中应用的潜力。

图1：原始钠、经过20次ARB处理的钠(Na-20)和ATO-12Na箔材的晶粒微观结构。b) ATO-12Na复合阳极的制备工艺示意图。c-e) ATO-12Na的扫描电子显微镜（SEM）图像，f) 聚焦离子束扫描电子显微镜（SEM-FIB）图像和元素映射图像。g) ATO-12Na和h) 原始钠阳极上钠沉积的示意图。

图2：a) ATO-12Na和b) 不同ARB周期处理的原始钠电极的X射线衍射（XRD）图谱。c) 不同样品的相对纹理系数（RTC）。d-f) ATO-12Na、Na-20和原始钠电极的(200)晶面的极图，g-i) (110)晶面的极图。

图3：对称电池在a) 1 mA cm⁻²下1 mAh cm⁻²、b) 2 mA cm⁻²下2 mAh cm⁻²和f) 4 mA cm⁻²下2 mAh cm⁻²的电压-时间曲线。c-e) 在2 mA cm⁻²下不同时间段的局部放大区域。g) 不同电流密度下对称电池的倍率性能和h) 倍率性能后的电化学阻抗谱（EIS）图。i) 在2 mA cm⁻²下ATO-12Na对称电池的性能比较。

图4：在1 mA cm⁻²下1 mAh cm⁻²经过钠沉积/剥离循环后的a-d) ATO-12Na、e-h) Na-20和i-l) 原始钠对称电池的外扫描电子显微镜（SEM）图像。

图5：a-l) 经过10个循环后在1 mA cm⁻²条件下，原始钠、Na-20和ATO-12Na电极上形成的固体电解质界面（SEI）的X射线光电子能谱（XPS）标准化深度剖析，a-f) 氟成分的F1s谱图和组成比率，g-l) 氧成分的O1s谱图和组成比率。m) PF₆−与Na(200)和Na(110)晶面的结合能的密度泛函理论（DFT）计算，n, o) Na原子在Na(200)晶面不同位点上的吸附能。

图6：在0.5 mA cm⁻²下不同钠沉积容量的ATO-12Na的外扫描电子显微镜（SEM）图像，a,b) 2 mAh cm⁻²，c,d) 4 mAh cm⁻²和e,f) 8 mAh cm⁻²；g-i) ATO-12Na和j-l) 原始钠阳极在0.5 mA cm⁻²下的原位光学显微镜图像。

图7：全电池性能。a) 500 mA g⁻¹下的循环性能，b) 在不同循环下500 mA g⁻¹下ATO-12Na复合阳极的充放电曲线，c) 不同电流密度下的倍率能力，d) 长循环后的Nyquist图；e) 50 μm厚ATO-12Na阳极在200 mA g⁻¹下的循环性能。f) 带有ATO-12Na阳极的软包电池在500 mA g⁻¹下的循环性能和g) 不同循环下的充放电曲线。

【结论】

总之，本工作通过累积滚轧键合（ARB）技术成功制备了具有Na(100)纹理的ATO-12Na复合阳极，该阳极不仅促进了在表面形成富含无机物的固体电解质界面层，还有效引导了钠的均匀和水平沉积。得益于Na(100)纹理的内在亲钠性以及ATO活性位点的高亲钠性，ATO-12Na复合阳极在钠沉积/剥离过程中展现出了卓越的稳定性，对称电池在2 mA cm⁻²的电流密度下能够稳定运行超过1400小时，过电位仅为约33 mV。此外，与Na₃V₂(PO₄)₃（NVP）阴极组装的全电池在500 mA g⁻¹的电流密度下循环超过4500次，容量保持率高达80.7%，证明了这种复合阳极在钠金属电池中的高性能和实用性。这项工作为设计低成本、高安全性和高性能的钠金属电池提供了新的思路。

Li, Z., Miao, L., Lin, G., Tian, W., Yuan, S., Si, Y., Wang, Q., & Jiao, L. (2024). Na (100)-Textured Electrode Embedded with Sb-Doped SnO₂ Nanoparticles for Dendrite-Free Sodium Metal Batteries. Advanced Energy Materials.

https://doi.org/10.1002/aenm.202402284

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