1. 首页
  2. 学术动态
  3. 原创文章

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

研究背景

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

钠具有与锂相近的电位,且更低的价格,因此被视作替代锂金属电池、锂空电池的理想负极材料,但是与锂金属一样,钠作负极时也会面临枝晶的问题,如何避免循环过程中枝晶的产生从而具有更佳的安全性也是研究的热点。但是相对于锂来说,钠为负极的电池容量较小,寿命比较短,优化这两点是其能否在与锂的竞争中胜出的关键。

成果简介

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

针对这个问题,复旦大学彭慧胜课题组提出了一种氧官能化的CNT(Of-CNT)作为钠的基底,因为这种材料的特殊结构以及其与钠的亲和性,能够有效避免Na沉积在Of-CNT上产生枝晶,提高了安全性。此外用金属钠与Of-CNT组合成对称电池,表现出了优异的库伦效率,并且这种材料具有优异的储钠性能,比容量达到了10 mAh cm-2,并且具有3000圈的长循环性能。之后将这种负极用于钠空气电池中,展现出了良好的电池性能。

图文导读

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

图1. 传统的铜电极和本文中Of-CNT钠沉积的示意图

图1给出了在钠传统的铜箔和Of-CNT上的沉积示意图。在铜箔上,在刚开始沉积的时候钠就会成核,之后不断长大,最后发展成为钠枝晶。而在Of-CNT上,因为其官能化后亲钠的特性,钠会在CNT的表面均匀地沉积,不会成核慢慢长大,当表面沉积满了之后,会在空隙间沉积,这种沉积策略能够有效地防止钠的枝晶产生。

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

图2. 在不同的钠沉积阶段的Of-CNT的SEM照片以及界面厚度的照片

图2给出了在不同的钠沉积阶段的Of-CNT的SEM照片(图2a-k)以及界面厚度(c-l)的照片。可以看出沉积后Of-CNT的表面都覆盖了钠,在沉积了10 mAh cm-2之后,Of-CNT的骨架空隙间都沉积了Na,而且Of-CNT具有非常好的循环性能,10 mAh cm-2的钠依然能够全部被充回。相应地我们可以看到当容量增大的时候,电极的厚度也在增加,初始是10 μm,5 mAh cm-2之后是55 μm,10 mAh cm-2之后是100 μm,全部脱钠之后,厚度为12 μm,相比初始的10 μm有所增加,这是因为钠的沉积导致的结构膨胀无法恢复。

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

图3. Na@Of-CNT的电化学性能表征

为了测试Na@Of-CNT的电化学性能,作者组装了对称电池,电池先经过几圈活化除去表面的杂质并且形成SEI膜,结果Na@Of-CNT拥有超过3000个循环的稳定性,并且平均库伦效率在99.7%,是目前报道的有最长寿命的钠负极。相比之下,未用氧官能化话Na@p-CNT以及Na@Cu的稳定性要差很多(图3a-d)。这归因于电极上活性位点的不均匀,导致了Na的不均匀成核形成枝晶。之后作者比较了对称电池循环中过电势的变化,Na@Of-CNT经过了4000多小时循环之后,过电势依然保持稳定,但是Na@p-CNT 和Na@Cu在经过1000小时和300小时之后过电位增加明显(图3e)。作者比较了初始和循环之后的对称电池的界面阻抗变化, Na@Of-CNT的阻抗几乎不变,Na@p-CNT 和Na@Cu的界面阻抗都大幅增加(图3f),在大电流下界面依然能够保持稳定(图3g)。

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

图4. Of-CNT的亲钠特性理论计算

DFT理论计算了Na沉积在不同电极表面的结合能和电荷密度,图4b显示在C=O上具有最低的结合能,在图4c-d上可以看出,氧官能化的基团上局域电荷密度增大,表明了含氧官能团的位置有利于Na的吸附和沉积,足够多的官能团就能够保证均匀的活性位点供钠成核和之后的沉积(图4e)。相比之下,传统的Cu基底上,Na倾向于垂直于基底生长,导致枝晶的产生。

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

图5. 钠空气电池性能的测试

之后作者用这种负极对钠空电池直接在空气中进行了测试,使用Na@Of-CNT的钠空气电池循环了100圈,并且电位非常稳定,而使用Na片的电池只循环了20圈,放电电位不断下降。说明了Of-CNT对钠负极的稳定有着极大的提升。

总结与展望

复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

本文中报道了一种亲钠的Of-CNT作为钠沉积的基底,这种基底能够有效地避免钠枝晶的产生,并且具有超高的钠承载量,在对称电池和钠空气电池的测试中,这种基底负载钠的负极都能展现出非常好的性能,这种设计为钠金属电池的实用化铺垫了道路。

文献信息:Sodiophilic interphase mediated, dendrite‐free anode with ultrahigh specific capacity for sodium‐metal batteries(https://doi.org/10.1002/ange.201910202)

文献链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201910202?af=R

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 一去不回头

主编丨张哲旭


复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

清新电源投稿通道(Scan)


复旦大学彭慧胜angew:亲钠界面诱导高容量无枝晶钠负极

本站非明确注明的内容,皆来自转载,本文观点不代表清新电源立场。

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code