解决金属空气电池的共性问题——原位固化界面层助力正极离子传输

【研究背景】

钠-二氧化碳电池使用二氧化碳作为正极气体进行循环充放电。由于二氧化碳的阻燃性，金属二氧化碳电池相较于金属电池氧气电池具有更高的安全性能。然而，金属空气电池普遍存在电解液挥发的问题。用固态电解质代替电解液可以有效地解决金属空气电池中电解液的挥发问题。基于无机固体电解质的钠-二氧化碳电池成为研究的热点。

【工作介绍】

近日，台湾大学的刘如熹教授、中国科学院金属研究所的尹利长研究员与台湾师范大学的胡淑芬教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Na–CO₂ battery with NASICON-structured solid-state electrolyte”的文章。文章指出，正极界面离子传递不顺畅是基于无机固态电解质的金属空气电池难以实现充放电的根本原因。故此构建提升界面离子传递能力的正极极界面层成为固态金属空气电池性能提升的关键。

【内容表述】

作者利用塑化晶体电解质（plastic crystal electrolyte）丁二腈室温固化的特性，在Na₃Zr₂Si₂PO₁₂与Ru/CNT催化剂之间原位构建一层高稳定性的离子导电网络。丁二腈的化学和电化学稳定性有助于延长固态电池的循环寿命。此外，高反应活性的Ru/CNT催化剂可提升电池的最大放电容量并降低过电位。

图1. 利用丁二腈（SN）构建阴极界面层降低界面阻抗。

此外，文章利用理论计算结合实验揭示了与钠金属之界面层为动力学稳定界面层。不同于NASICON结构的锂离子导体如LAGP与LATP， Na₃Zr₂Si₂PO₁₂与钠金属的接触较为稳定。这是由于Zr⁴⁺在电化学循环中没有被大量还原为Zr金属。缺少电子电导率高的金属成分，这一界面不可能成为混合导体型界面（mixed conductive interphase）。此外通过阻抗谱可以发现钠金属对称电池的阻抗没有无限上涨，表明界面为动力学稳定界面。

受益于正极界面层的构建和负极的电化学稳定性，文章报道的固态钠二氧化碳电池可实现室温充放电并在100 mA g^-1的电流密度下电池可循环50个周期。

Zizheng Tong, Shu-Bo Wang, Mu-Huai Fang, Yen-Ting Lin, Kun-Ta Tsai, Sung-Yu Tsai, Li-Chang Yin, Shu-Fen Hu, Ru-Shi Liu, Na–CO₂ Battery with NASICON-Structured Solid-State Electrolyte, Nano Energy, 2021, DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105972

作者简介：

刘如熹，台湾大学化学系教授，其专长主要为以材料化学核心技术为基础，发展具可应用于光转换为光、电与热之新材料，其将分别应用于光电、能源与生医。

其于1981年6月毕业于东吴大学化学系(学士)，1983年6月毕业于清华大学原子科学研究所(硕士)，1990年6月毕业于清华大学化学系(博士)。1992年6月毕业于英国剑桥大学化学系暨高温超导中心(博士)。其1983年硕士毕业后即进入工业技术研究院工业材料研究所服务至1995年，期间担任副研究员、研究员、正研究员及主任。1995年8月~1999年7月任台湾大学化学系副教授，于1999年8月~2016年6月任台湾大学化学系教授。2016年7月任台湾大学化学系特聘教授至今。

1989年获台湾青年奖章及工研院科技成果个人贡献奖，1995年获台湾第四届发明银牌个人奖，1998年获杰出青年化学奖章，2011年获第九届有庠科技奖(科技论文绿色科技类) ， 2013与2018年分别获科技部杰出研究奖。2015年获国际IUPAC & NMS于新颖材料与合成之杰出研究奖。2017年获中山学术论文奖。2018年、2019年与2020年被科睿唯安(Clarivate Analytics)获选为跨领域全球高被引学者（Highly Cited Researchers）。2018年获「侯金堆杰出荣誉奖」(基础科学：数理)。2019年获「有庠科技讲座」(绿色科技)及东元奖(化工/材料科技领域)。2020年获教育部学术奖与化学会学术奖章。至今论文发表于已发表580篇英文论文于国际期刊，被引用总次数达21,453次，h-index为75。获得专利200余件。