在电池使用Sodium-Gallium合金

一组研究人员最近在《华尔街日报》发表了一篇论文SusMat证明使用的可行性sodium-gallium合金层,防止树突增长钠金属阳极改善金属钠电池的稳定性和电化学性能。

研究:Sodium-gallium合金层为快速、可逆的盐沉积。图片来源:微笑战斗/ Shutterstock.com

背景

电力需求的不断增长,在便携式电子设备、智能电网、电动汽车的重要性大大增加了高能电池。在之前的几十年,锂电池,如锂金属电池(lmb),获得了显著的关注作为能量储存。

(A)制造过程的示意图说明Na-Ga合金层通过轧制金属Ga在Na (NGAL-Na)。NGAL-Na描述:(B) x射线衍射(XRD)模式,(C) deconvoluted x射线光电子谱(XPS)光谱Ga 3 D, (D)扫描电子显微镜(SEM)图像,和(eg)元素映射Na和Ga。图片来源:Lv, X et al ., SusMat

lmb,包括lithium-oxygen和lithium-sulfide电池,具有能量密度高得多。然而,世界上低锂金属储备会阻碍这些电池的发展。

金属钠电池具有相似化学性质一样lmb被认为是一个合适的替代金属钠在本质上是丰富的和具有高g 1166 mAh的理论比容量¹和较低的氧化还原电势。

然而,必须解决安全问题和贫穷的循环稳定性得到一个稳定的钠金属阳极。金属钠自发形成固体电解质界面时(SEI)接触有机液体电解质。

非齐次钠离子通量分段/电镀会导致钠树突传播,损害的不稳定的SEI,和电解质的损耗。钠树突传播可以增加金属钠的界面的不稳定,阻碍它的实际实现。

总的来说,这些因素可以缩短的生命周期钠阳极。一些策略,如使用固态电解质(ss),引入三维(3 d)多孔收藏家,并使用添加剂为电解质,实施预防钠树突增长和改善阳极钠稳定。

然而,这些策略有明显的缺点。例如,三维多孔收集器介绍不能防止寄生与电解液反应,而添加剂不会持续很长时间,周期。制作不同人工界面层被认为是一种有效的方法来抑制钠树突增长。

虽然聚合物和金属硫属化合物在金属钠作为防护层,体积的扩张在漫长的剥离/电镀周期通常休息或破坏这防护层的金属,它需要新的保护层的发展类型。

合金层能促进界面电荷传输动力学和快。此外,合金层可以减少寄生反应与有机液体电解质由于其惰性高于纯金属。因此,使用合金层会导致金属离子的平面形态和镀均匀无树突增长。

镓低熔体温度30^oC可以用作金属钠的合金层。然而,没有研究sodium-gallium合金层用于提高钠阳极界面稳定直到现在。

这项研究

在这项研究中,研究人员通过捏造sodium-gallium合金层现场轧制的金属镓钠金属表面(NGAL-Na)和评估其能力提高钠阳极界面稳定通过防止树突增长。

(一)利率0.5马6厘米的性能在电流密度⁻²马(设置容量:1 h厘米⁻²)。(B)塔费尔情节。尼奎斯特图在不同温度和等效电路模型(C)裸露的Na和(D) Na-Ga合金层通过轧制金属Ga在Na (NGAL-Na)。(E)阿伦尼乌斯的行为对称Na | | Na和NGAL-Na | | NGAL-Na细胞。图片来源:Lv, X et al ., SusMat

x射线衍射、x射线光电子能谱和场发射扫描电子显微镜是用来描述的样本。装配式NGAL-Na阳极被打到11毫米coin-cell测试的光盘。

对称CR2032 coin-type细胞被用来执行电化学测试对称NGAL-Na | | NGAL-Na和钠| |钠电池使用一个M高氯酸钠碳酸乙/碳酸二乙酯(EC / 12月)5%氟乙烯树脂碳酸盐(FEC)作为电解液。

绘画纸GF / D玻璃纤维被用作分隔符在所有电池。完整细胞进行了耦合与商业磷酸钒钠Na₃V₂(PO₄)₃/(一步法)电极。电化学工作站被用来执行电化学阻抗谱(EIS)。

对称的细胞的速度性能和长期循环稳定性进行使用的严格测试仪器。此外,透明石英细胞组装观察钠沉积表面显微镜NGAL-Na和钠光阳极。

这项研究的意义

NGAL-Na阳极是捏造的成功通过金属镓在室温下滚动表面的钠。一个定义良好的Na sodium-gallium合金层₂₂遗传算法₃₉组成了原位合金化反应后钠与镓在滚动。

后期扫描电子显微镜(SEM)图像分析裸Na和Na-Ga合金层通过轧制金属Ga在Na马(NGAL-Na)在1厘米⁻²各种电镀/剥离能力:1 mAh厘米(A和B)⁻²10个周期后,mAh (C和D) 3厘米⁻²,(E和F) 6 mAh厘米⁻²后五个周期。(G和H)图解插图Na Na和NGAL-Na电极的沉积行为。SEI、固体电解质界面。图片来源:Lv, X et al ., SusMat

NGAL-Na密集和扁平形态观察,用45µm-thick sodium-gallium合金层。的元素镓和钠钠金属表面分布均匀,表明均匀sodium-gallium合金层的形成。

制造合金层显示异常sodiophilicity,增强长期稳定的金属阳极通过有效地抑制钠钠树突增长和保护金属钠。

此外,NGAL-Na电极的使用大大提高了电化学性能和一生的全细胞和对称的细胞。例如,对称NGAL-Na细胞在不同的剥离钠/电镀能力在碳酸盐岩电解质,如马在一厘米⁻²/ 6 mAh厘米⁻²电镀/剥离能力的长寿命468小时。

同样,NGAL-Na | |一步完整的细胞意识到一个令人满意的性能和循环稳定性,交付100 mAh g⁻¹500次后容量10 C在环境温度下,和更低的电压极化。

总而言之,这项研究的结果显示了制造的可行性sodium-gallium合金层阳极钠稳定这些阳极金属钠电池。这种策略也可以用来改善金属电极的电化学性能和稳定性发展稳定和安全的金属可充电电池。

参考

Lv, X。唐,F。,姚明,Y。等。(2022)Sodium-gallium合金层为快速、可逆的盐沉积。SusMat。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sus2.97

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