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焦丽芳课题组AEnM综述:三维限域策略构建无枝晶钠金属电池
2021-04-14  

来源:Materivalviews


钠金属电池(SMBs)具有成本低,理论容量高(~1160 mAh g−1),氧化还原电位低(−2.71V vs H+/H2)和能量密度高等优点。目前,可充电SMBs的研究已经吸引了科研界的广泛关注,它为推动下一代高能量电池的发展提供了新的机遇和可能。


然而,高活性的钠金属阳极会与有机液态电解液持续发生不可逆的界面副反应且诱发不可控的枝晶生长,最终引发电池内短路,导致热失控、起火甚至爆炸等一系列安全问题。为彻底消除安全隐患,钠枝晶的生长必须得到抑制。目前,主要有四种常用策略去提升钠金属负极在电化学循环过程中的稳定性:(1)优化电解液体系;(2)构筑人工SEI膜;(3)开发全固态电解质;(4)构筑具有三维限域骨架的钠金属负极。相比于其他三种策略,三维限域策略具有制备简单,效果显著及可实现工业化生产等多个优点。它可以从根本上改变Na的传统成核和生长模式,使电沉积的钠从传统的「树枝状生长」转变为均匀的「层状生长」。通常,三维限域骨架具有较大的比表面积,它能够显著降低钠金属负极表面的局域电流密度并且为钠离子的电沉积过程提供足够的形核位点。重要的是,三维限域骨架不仅可以为钠阳极的体积变化提供足够的缓冲空间,而且可以调控Na+的形核过程,从而实现更加均匀的钠沉积和生长。作为一种简单高效的解决方案,三维限域策略由于具有稳定的三维多孔骨架,优化的电子/离子传导和改善的界面性质等多个优点,它已在稳定钠金属负极方面表现出了巨大的研究价值和广阔的应用前景。


近日,南开大学焦丽芳教授课题组在Advanced Energy Materials上首次全面综述了采用“三维限域策略”构建无枝晶钠金属电池的研究进展。首先,文章开门见山地阐明了钠金属电池所面临的主要问题和挑战;接下来,文章强调了利用原位表征技术探究钠枝晶的生长和演变过程的重要性。随后,文章着重介绍了“三维限域策略”对于提升钠金属负极稳定性的研究进展。依次从碳基、金属基和复合基骨架三个方面深入剖析了它们各自的结构优势、调节机制和界面工程。同时,文章批判性地指出了它们各自的优缺点并提出了具体的应对措施。最后,作者对于开发下一代高性能的钠金属电池的研究前景和发展方向提出了以下展望:(1)探索钠枝晶形成的潜在机理;(2)开发具有高灵敏度的时间/空间分辨的原位观察和分析技术;(3)构筑具有高度亲钠性的三维限域骨架;(4)优化现有钠金属电池体系。


图 1. 稳定钠金属负极的各类三维限域骨架


图 2 钠枝晶的形成示意图


图3.不同种类的三维限域骨架对于构筑无枝晶钠金属负极的性能总结


论文第一作者为焦丽芳教授课题组博士生李兆鹏。


论文信息:

3D Confinement Strategy for Dendrite-Free Sodium Metal Batteries

Zhaopeng Li, Kunjie Zhu, Pei Liu, Lifang Jiao*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202100359



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