鈉-鉀電解質(zhì)界面相實現(xiàn)室溫/0°C固態(tài)鈉金屬電池

【研究背景】

基于無機固態(tài)電解質(zhì)的金屬電池因其能量密度和安全性的優(yōu)勢在電化學儲能領(lǐng)域具有巨大應用潛力。然而，一般的固態(tài)金屬電池（SSBs）在實際研究中發(fā)現(xiàn)在界面穩(wěn)定性和低溫循環(huán)性能等方面仍需要進行改進以滿足商業(yè)化應用的需求。

【工作介紹】

近日，北京理工大學趙永杰副教授的研究團隊通過在金屬鈉負極和NASICON型Na3Zr2Si2PO12（NZSP）陶瓷電解質(zhì)界面處原位構(gòu)建Na-K界面相，有效促進界面載流子的傳輸動力學，鈉金屬枝晶的生長受到有效抑制。基于以上，固態(tài)鈉金屬電池在室溫和0oC下實現(xiàn)長時間和高效率循環(huán)。該文章發(fā)表在國際期刊AdvancedEnergyMaterials上。博士研究生倪青為本文第一作者，通訊作者為北京理工大學材料學院趙永杰副教授和金海波教授。

【內(nèi)容表述】

（1）該研究論文中，首先設計了一種局部靶向錨定策略，通過FESEM和TOF-SIMS等手段證明了NZSP氧化物陶瓷電解質(zhì)與鈉金屬負極界面處的Na-K界面相的產(chǎn)生，該策略利用這種原位生成Na-K界面相，顯著提升了固態(tài)鈉金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性和低溫性能。

（2）通過理論計算和實驗實踐，創(chuàng)造性地實現(xiàn)在NZSP鈉離子陶瓷電解質(zhì)中K+的痕量傳輸；K+的存在有利于降低NZSP陶瓷電解質(zhì)中Na+的協(xié)同轉(zhuǎn)移勢壘。

（3）對比K2MnFe(CN)6(KMF)匹配NZSP陶瓷電解質(zhì)的固態(tài)電池和Na2MnFe(CN)6(NMF)基固態(tài)電池可以發(fā)現(xiàn)KMF基固態(tài)電池在25°C和0°C下均具有良好的電化學性能，這是由于形成Na-K界面相的原位構(gòu)筑有效抑制了鈉金屬枝晶的生長，F(xiàn)ESEM和TOF-SIMS也表明KMF基固態(tài)電池中的Na沉積行為更穩(wěn)定。

圖1.金屬負極/陶瓷電解質(zhì)界面演化示意圖及局部靶向錨定策略。

圖2.（a-b）CINEB計算的Na+離子在NZSP電解質(zhì)中的遷移示意圖及能壘；（c-d）CINEB計算的K+離子在NZSP中遷移示意圖及能壘。

圖3.(a-c)NMF基固態(tài)鈉金屬電池的電化學性能；(d-j)KMF基固態(tài)鈉金屬電池的電化學性能。

QingNi,YongnanXiong,ZhengSun,ChenSun,YangLi,XuanyiYuan,HaiboJin,YongjieZhao,RechargeableSodiumSolid-StateBatteryEnabledbyInSituFormedNa–KInterphase,AdvancedEnergyMaterials,2023.

https://doi.org/10.1002/aenm.202300271

作者簡介

第一作者：倪青博士研究生，北京理工大學材料學院

主要從事高比能量鈉離子正極材料和固態(tài)鈉金屬電池的研究。在Advanced Energy Materials、Small等期刊上發(fā)表論文多篇。

通訊作者：趙永杰副教授，北京理工大學材料學院

主要從事金屬氧化物功能材料的設計和性能關(guān)聯(lián)研究。截止目前，以第一作者和通訊作者身份在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、ACSCatalysis、Nano Letters、Nano Energy等雜志上發(fā)表SCI論文80余篇。申請獲批中國國家發(fā)明專利10余項，主持國家自然科學基金項目、企業(yè)委托技術(shù)開發(fā)等項目。擔任清華大學材料學院“先進材料國家級實驗教學示范中心”教學指導委員會委員，國產(chǎn)期刊RareMetals青年編委，期刊Batteries、Materials客座編輯。

通訊作者：金海波教授，北京理工大學材料學院

先后主持和完成國家863計劃課題、國防863計劃課題、國家自然科學基金、教育部科學研究重大項目、國防類項目等各類科研課題多余項作為通訊作者或第一作者在AdvancedMaterials等材料類專業(yè)期刊發(fā)表SCI論文100余篇，SCI他引一萬余次，獲授權(quán)專利15項，作為主編出版教材2部。先后入選教育部新世紀人才、北京市科技新星、北京市優(yōu)秀人才等支持計劃、國家萬人計劃。

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