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研究背景

鈉離子/鈉金屬電池已被公認是可再生能源市場鋰離子電池最有前途的替代品之一，因為鈉的特性與鋰離子電池相似，但成本較低。與液態(tài)電解質(zhì)鈉離子電池相比，固態(tài)鈉電池（SSNB）可以同時實現(xiàn)高能量/功率密度和卓越的安全性，從而降低制造和維護成本。所有這些都使SSNB成為可再生能源應用的理想能源。

固態(tài)電解質(zhì)（SSE）是SSNB的關(guān)鍵組件。理想的SSE應該具有較高的鈉離子導電性（即σ_Na≥10^-4 S cm^-1），可忽略不計的電子導電性，與電極的優(yōu)異兼容性，卓越的鈉枝晶抑制能力，寬的電化學穩(wěn)定窗口，以及在較低的工作溫度（甚至是室溫）下令人滿意的機械強度。目前，Na超離子導體、硫化物基固體電解質(zhì)（例如Na₃PS₄、xNa₂S(100-x)P₂S₅和Na₃SbS₄）以及β’-氧化鋁（β’-Al₂O₃）固體電解質(zhì)（BASE）已經(jīng)得到了廣泛研究。

在所有導鈉離子的SSE中，BASE具有較高的離子導電性（RT和300°C分別為~1×10^-3和~0.2 S cm^-1），電子導電性可忽略不計，以及與電極材料的優(yōu)異兼容性和/或化學穩(wěn)定性。目前，BASE膜用于高溫（280-350°C）鈉硫（Na-S）和鹵化鈉（ZEBRA）電池。高溫增加了制造和維護成本，導致性能下降，并引起安全問題。將溫度降低到鈉金屬熔點以下將抑制這些問題。然而，它帶來了另一個問題，電極界面阻抗顯著增加，這往往會導致鈉枝晶的形成。

成果簡介

王春生/魯小川Nature Nanotechnology：實用化低溫鈉金屬電池！

馬里蘭大學王春生教授和北卡農(nóng)工州立大學魯小川博士在Nature Nanotechnology上發(fā)表文章，Interfacial-engineering-enabled practical low-temperature sodium metal battery，利用界面工程解決了界面的阻抗大的問題，實現(xiàn)了低溫下實用化的鈉金屬電池。

具體地，作者將約37 wt%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯加入到BASE(β’-Al₂O₃)形成YSZ@BASE，在80°C下，界面電阻從6.6 Ω cm²（BASE/Na）降至3.6 Ω cm²（YSZ@BASE/Na），并在>330小時的循環(huán)中保持了低界面電阻。在80°C的~0.18 MPa的溫和壓力下，對稱Na/YSZ@BASE/Na電池的臨界電流密度（CCD）達到了非常高的值~7.0 mA cm^-2，幾乎是沒有YSZ的BASE的五倍（~1.5 mA cm^-2）。作者用富Ni陰極組裝了準固態(tài)Na/YSZ@BASE/NaNi_0.45Cu_0.05Mn_0.4Ti_0.1O₂全電池，在電解質(zhì)與陰極界面添加了微量的共晶NaFSI-KFSI熔鹽，來降低陰極界面的阻抗。在4C的倍率下，全電池初始容量為110 mAh g^-1，并在500個周期內(nèi)能保持73%的容量，庫侖效率>99.99%。

廣泛的表征和理論計算證明，富含穩(wěn)定β-NaAlO₂的SEI和強大的YSZ支撐體在抑制鈉枝晶方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因為它們保持了穩(wěn)定的界面接觸，降低了電子傳導，并通過氧離子補償防止了BASE的持續(xù)還原。

與最先進的Na-S、ZEBRA和其他固態(tài)電池相比，這項研究代表了一種新的鈉電池類別，其工作溫度明顯更低，安全性更高。

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