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因理論比容量較高 鈉金屬負極正在成為科研人員的關注點

鉅大LARGE  |  點擊量:3288次  |  2019年11月06日  

鈉電池的研究始于1960年。高溫鈉硫電池首先被開發出來。該電池采用熔融的金屬鈉作為負極,熔融的單質硫作為正極,并采用具有鈉離子電導率的固態電解質作為隔膜。但由于其存在巨大的安全隱患,近些年來有關鈉電池的研究主要集中在降低電池的工作溫度上。在70年代末期和80年代初期,對常規鋰離子和鈉離子插層型材料的研究工作開始引起全世界的關注。但是由于缺少合適的負極材料,鈉離子電池的商業化并沒有進入到實質階段。但由于鈉資源儲量豐富以及分布廣泛,鈉離子電池被認為是未來大規模、低成本儲能系統的理想候選產品。自2009年以來,與鈉電池有關的論文數量有著顯著增長。由于傳統的石墨負極材料的儲鈉性能遠遠低于儲鋰性能。目前大多數研究活動都致力于開發高性能負極材料以提高鈉離子電池的能量密度。


最近,由于其較高的理論比容量(1166mAhg-1)和較低的電極電勢,科學人員的研究興趣重新集中在鈉金屬負極的研究上。采用金屬鈉為負極的電池,例如室溫鈉硫(Na-S)電池,室溫鈉氧(Na-O2)電池和室溫ZEBRA型鈉金屬鹵化物電池具有非常大的潛力成為新一代高比能量、低成本的儲能裝置。但目前關于鈉金屬負極的研究仍處于起步階段,其在電池充放電反應過程中的復雜機理還沒有被完全了解。


為了在實際的可充電電池系統中有效使用鈉金屬負極,需要克服諸多挑戰。首先,抑制鈉枝晶的生長可以提高電池的安全性能。其次,提高電極循環過程中的庫侖效率可以最大程度地減少所需金屬鈉的用量,從而降低材料成本,增加整個電池系統的能量密度。同時出色的循環性能可以延長電池的使用壽命以滿足客戶的需求。


澳大利亞悉尼科技大學汪國秀教授課題組聯合德國吉森尤斯圖斯-李比希大學JürgenJanek教授課題組首先對鈉枝晶的生長機理進行了簡要介紹。接下來總結了幾種被廣泛報道的抑制鈉枝晶生長的策略,包括液體電解液優化,電解液添加劑選擇,多孔集流體的設計,人工SEI膜的制備以及固態電解質的應用。最后,基于目前的研究現狀,作者對鈉金屬負極未來的研究方向進行了展望。


相關論文以“DesignStrategiestoEnabletheEfficientUseofSodiumMetalAnodesinHigh‐EnergyBatteries”為題,在線發表在AdvancedMaterials上(DOI:10.1002/adma.201903891)。


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