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【環(huán)球網(wǎng)科技綜合報道】6月29日消息，記者從中科院官網(wǎng)了解到，鈉離子電池因資源豐富、成本低廉，可應(yīng)用于短途電動車和大規(guī)模儲能等領(lǐng)域。與鋰離子電池相比，作為電荷載體的鈉離子摩爾質(zhì)量較大，致使在相同材料體系下鈉離子電池的能量密度偏低。

使用具有較高理論比容量（1166 mAh/g）的金屬鈉作為負(fù)極是提升鈉離子電池能量密度的有效途徑。然而，金屬鈉空氣穩(wěn)定性較差，在電池批量生產(chǎn)中存在較大安全隱患，且金屬鈉質(zhì)地較軟且粘，難以制成超薄負(fù)極，導(dǎo)致過量活性物質(zhì)對能量密度的犧牲。在此背景下，利用首周充電時從正極中脫出的鈉離子在負(fù)極集流體側(cè)電化學(xué)原位形成鈉負(fù)極，這一策略可有效解決金屬鈉空氣敏感和超薄化困難的問題。然而，不穩(wěn)定的正負(fù)極界面將不斷消耗有限的鈉離子，且在反復(fù)電鍍和剝離的過程中，鈉離子的不均勻沉積也會導(dǎo)致“死鈉”或鈉枝晶的產(chǎn)生，從而降低庫侖效率，引致容量快速衰減。

為解決上述問題，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心博士研究生李鈺琦在研究員胡勇勝和副研究員陸雅翔的指導(dǎo)下，通過協(xié)同調(diào)控集流體/鈉、鈉/電解液（SEI）和電解液/正極（CEI）三重界面，減小鈉形核尺寸，修復(fù)鈉沉積裂紋，有效抑制鈉枝晶生長并阻止鐵、鎳等過渡金屬離子溶解，在無額外鈉源補充情況下實現(xiàn)了能量密度高達205 Wh/kg的Ah級別的鈉離子電池。該鈉離子電池體系的能量密度優(yōu)于目前商業(yè)化的磷酸鐵鋰||石墨電池體系。

據(jù)悉，近日，相關(guān)研究成果以“Interfacial engineering to achieve an energy density of over 200 Wh kg-1 in sodium batteries”為題，發(fā)表在《Nature Energy》上。

實現(xiàn)該類電池高比能與長循環(huán)壽命的關(guān)鍵在于正極、集流體與電解液側(cè)的綜合性設(shè)計。在正極側(cè)，該研究選取了不含鈷的銅基O3相層狀氧化物，保證電池高能量密度的同時具有低成本和可持續(xù)性。研究為了實現(xiàn)自下而上較為平滑的金屬鈉沉積，在負(fù)極集流體側(cè)選用石墨化碳涂層使鈉離子具有較低的形核過電勢，控制金屬鈉以較小尺寸均勻密集形核。然而，研究發(fā)現(xiàn)，即使用該親鈉型集流體涂層，傳統(tǒng)的醚類電解液中沉積的金屬鈉表面依然存在裂紋，裂紋會不斷與電解液發(fā)生反應(yīng)消耗活性金屬鈉，并導(dǎo)致后續(xù)循環(huán)中不均勻的鈉沉積甚至鈉枝晶形成。為了進一步解決上述界面破裂問題，該研究設(shè)計了一款含硼鹽的電解液，利用多尺度的界面表征技術(shù)捕捉到其分解產(chǎn)物在負(fù)極（SEI）及正極（CEI）界面處均形成了非晶態(tài)固體電解質(zhì)中間相，且硼-氧組分在負(fù)極側(cè)界面膜的外層呈現(xiàn)二維分布，而在正極側(cè)界面膜的內(nèi)層呈現(xiàn)三維分布。研究基于量子化學(xué)/分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)添加了硼鹽后的電解液具有特殊的溶劑化構(gòu)型進而影響在正負(fù)極側(cè)的分解順序，合理地解釋了這種含硼組分在正負(fù)極側(cè)異質(zhì)分布的奇異現(xiàn)象。堅固且柔性的SEI膜有效地抑制了死鈉及鈉枝晶的形成，修復(fù)了金屬鈉沉積和剝離過程中形成的裂紋，而超薄的CEI膜則保護了正極的結(jié)構(gòu)完整性并阻礙過渡金屬離子溶解。

據(jù)介紹，得益于上述三重的協(xié)同界面（集流體/鈉界面、鈉/電解液界面和電解液/正極界面）效應(yīng)，研究實現(xiàn)了高度可逆的金屬鈉沉積（富有金屬光澤），且組裝的Ah級別的圓柱型鈉離子電池在不施加額外壓力及非高溫循環(huán)的情況下循環(huán)壽命可達260次。這項工作中關(guān)于本征鈉沉積/剝離行為（不同于鋰金屬沉積）和界面化學(xué)的見解為進一步開發(fā)更高性能的鈉離子電池提供了寶貴的思路。