王春生教授等钠电Nature Nanotechnology

第一作者：Tao Deng, Xiao Ji

通讯作者：Chunsheng Wang (王春生), Xiaochuan Lu

通讯单位：马里兰大学，北卡罗莱纳农工州立大学

【研究亮点】

1、报告了一种氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)增强型β-氧化铝固体电解质 (YSZ@BASE) 在80 °C时与Na金属负极具有 3.6 Ω cm² 的极低界面阻抗，并且还表现出极高的临界电流密度7.0 mA cm^-2。

2、准固态 Na / YSZ@BASE / NaNi_0.45Cu_0.05Mn_0.4Ti_0.1O₂ 全电池实现了 110 mAh g^{– 1} 容量以及> 99.99% 的库仑效率，并在4C和80 °C的 500 次循环中保持73%的电池容量。

【主要内容】

钠离子/金属电池已被公认为可再生能源市场上锂离子电池最有前途的替代品之一，因为钠具有与锂相似的特性，但成本更低。与液态电解质钠离子电池相比，固态钠电池可以同时实现高能量/功率密度和出色的安全性，从而降低制造和维护成本。所有这些因素使固态钠电池成为可再生能源应用的理想电源。固态电解质是固态钠电池的关键组成部分。理想的固态电解质应在较低的工作温度（最好在室温）具有高钠离子电导率（即 σ_Na ≥ 10^-4 S cm^-1）、可忽略的电子电导率、与电极的优异兼容性、显著的钠枝晶抑制能力、宽电化学稳定性窗口和令人满意的机械强度。目前，没有任何电解质可以满足所有这些要求。在所有钠离子固态电解质中，β-氧化铝 (β″-Al₂O₃)具有高离子电导率，低电子电导率，同时具有与电极材料的出色相容性和化学稳定性。然而目前β-氧化铝主要在高温环境(280–350 °C)下使用，高温会增加制造和维护成本，导致性能下降并引起安全问题。然而，低温条件又会带来了另一个问题，BASE/电极界面电阻的显著增加，这往往会导致Na枝晶形成。

鉴于此，马里兰大学王春生教授课题组和北卡罗莱纳农工州立大学Xiaochuan Lu教授提出将~37 wt% 氧化钇稳定的氧化锆加入到 BASE (YSZ@BASE) 中，这将界面电阻从 6.6 (BASE/Na) 降低到80 °C时的 3.6 Ω cm² (YSZ@BASE/Na)，同时低界面电阻在> 330 小时的循环期间保持稳定。对称 Na/YSZ@BASE/Na 电池中 YSZ@BASE 的临界电流密度在80 °C和~0.18 MPa的温和压力下达到了在所有固态电解质/金属体系中非常高的~7.0 mA cm^-2，几乎是纯BASE电池的5倍 (~1.5 mA cm^–2)。YSZ通过提高YSZ@BASE的断裂韧性和降低整体电子传导，在抑制Na枝晶渗透方面起着关键作用，可以有效防止内部Na沉积。作为氧离子导体，YSZ还可以传输氧离子，从而消除由BASE还原引起的氧空位，从而形成薄而稳定的富含β-NaAlO₂的 SEI，而不是来自BASE较厚富含 Na₂O的SEI。具有富镍正极的全电池可实现110 mAh g^–1的高初始容量，并在500次循环后保持73%的容量，在4C的倍率下库仑效率>99.99%。这项研究展示了一类全新的固态钠电池研究成果，与Na-S以及其他固态电池相比具有明显更低的工作温度和更高的安全性。

Fig. 1 | Characterization of YSZ@BASE.

Fig. 2 | Characterization of the YSZ@BASE/Na interface at RT and 80 °C.

Fig. 3 | Fundamentals of YSZ@BASE/Na metal interfacial reaction at 80 °C.

Fig. 4 | Dendrite suppression capability and interface chemistry of YSZ@BASE at 80 °C.

Fig. 5 | Stability mechanism of YSZ@BASE/Na interface at 80 °C.

Fig. 6 | Demonstration of a high-voltage cell with a YSZ@BASE and Na anode.

【文献信息】

Deng, T., Ji, X., Zou, L. et al. Interfacial-engineering-enabled practical low-temperature sodium metal battery. Nat. Nanotechnol. (2021). 

https://doi.org/10.1038/s41565-021-01036-6