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北理王成志團隊Adv. Sci.：可在-20℃下運行的固態(tài)鈉金屬電池！

采用無機固態(tài)電解質(zhì)（SE）的固態(tài)鈉金屬電池（SSNMB）要實現(xiàn)令人滿意的性能，尤其是在零下溫度下，對穩(wěn)定鈉金屬負(fù)極提出了挑戰(zhàn)。

圖1 Ca-NZSP的表征

北京理工大學(xué)王成志等通過采用一種鈉超級離子導(dǎo)體（NASICON）NASICON 型固態(tài)電解質(zhì)解決了這一難題，它使可充SSNMB能夠在-20至45℃的寬溫度范圍內(nèi)運行。具體而言，這項工作通過加入摻雜鈣離子（Ca²⁺）的Na?Zr?Si?PO??（Ca-NZSP）SE實現(xiàn)了這一目標(biāo)，它能有效穩(wěn)定鈉金屬負(fù)極，即使在低溫條件下也能實現(xiàn)平滑的鈉金屬沉積-剝離循環(huán)。

通過對Na/Ca-NZSP/Na對稱電池進行溫度分辨電化學(xué)阻抗譜（TR-EIS）測試，作者觀察到在45℃時，鈉金屬/SE界面的界面電阻僅為0.4 Ω cm²，即使在-20℃時也僅增加至＜110 Ω cm²。在對稱電池上進行的恒流充放電循環(huán)實驗進一步表明，在0.1 mA cm^-2條件下，鈉金屬沉積/剝離循環(huán)在-20至45°C的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，且極化電壓極小。

圖2 對稱電池性能

此外，Ca-NZSP還在-20°C的超低溫度下實現(xiàn)了超過2000小時的穩(wěn)定鈉金屬沉積/剝離循環(huán)，且沒有出現(xiàn)明顯的電壓波動。進一步，通過使用基于Na?V?.?Al?.?(PO?)?的復(fù)合正極，組裝的SSNMB在-20至45°C的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了出色的循環(huán)性能，其在0 °C時的可逆容量為108 mAh g^-1，經(jīng)過275次充放電循環(huán)后，容量保持率超過95%。

總體而言，這項工作在降低SSNMB的工作溫度閾值以涵蓋極冷溫度方面取得了重大突破，這使得離固態(tài)電池的實際應(yīng)用更近了一步。

圖3 NVAP|0.15Ca-NZSP|Na電池的性能

Rechargeable Solid-State Na-Metal Battery Operating at ?20 °C. Advanced Science 2023. DOI: 10.1002/advs.202302774

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