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基于鈉金屬負(fù)極的可充鈉電池被認(rèn)為是鋰電池的一種有前途的廉價(jià)替代品，能夠?yàn)楣潭ê鸵苿?dòng)能量存儲(chǔ)提供高能量密度。然而，枝晶生長(zhǎng)、不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）和鈉的高反應(yīng)性帶來的主要挑戰(zhàn)嚴(yán)重阻礙了鈉金屬負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。

伊比利亞國(guó)際納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室劉利峰等報(bào)道一種新穎的鈉金屬負(fù)極設(shè)計(jì)，該負(fù)極包含均勻嵌入雙連續(xù)、機(jī)械堅(jiān)固3D人工SEI框架中的納米結(jié)構(gòu)鈉金屬。

圖1 Na金屬負(fù)極的剝離過程

具體而言，受保護(hù)的鈉金屬負(fù)極是由富鈉Na₅₇K合金納米棒與聚四氟乙烯納米顆粒(PTFE)通過簡(jiǎn)單的機(jī)械研磨工藝制成的，在此期間Na₅₇K合金會(huì)觸發(fā)PTFE的交聯(lián)反應(yīng)，從而形成3D人造嵌入鈉金屬納米結(jié)構(gòu)的SEI框架(PTFE@NaNR)。

鑒于PTFE衍生物的機(jī)械強(qiáng)度，PTFE@NaNR可以在反復(fù)脫鈉和沉積時(shí)保持出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以防止電極結(jié)構(gòu)坍塌，同時(shí)消除對(duì)3D主體結(jié)構(gòu)的需求。此外，連續(xù)的3D SEI框架包含來自PTFE脫氟產(chǎn)生的NaF和KF，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)極內(nèi)快速的離子傳輸并能更好地適應(yīng)體積變化。

圖2 電化學(xué)性能

因此，PTFE@NaNR負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在0.5 mA cm^-2下重復(fù)鈉沉積和剝離超過1400小時(shí)后，沒有發(fā)生枝晶誘導(dǎo)的失效，并且在更高的電流密度下仍表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能，例如2和4 mA cm^-2。

此外，在以Na₃V₂(PO₄)₃為正極材料的全電池中進(jìn)行測(cè)試時(shí)，即使在貧電解液中，在1 C、2 C和3 C循環(huán)450次后，電池容量保持率分別可達(dá)80.7%、76.5%和71.5%，從而顯示出在快速充電鈉金屬電池中使用的巨大希望。

圖3 循環(huán)期間電極形貌的演變

Non-collapsing 3D solid-electrolyte interphase for high-rate rechargeable sodium metal batteries. Nano Energy 2022. DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.106947

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劉利峰Nano Energy：非塌陷三維SEI助力快充鈉金屬電池

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