赵勇/石瑞娟AEM: 电极 - 电解质界面调控实现具有出色循环稳定性的大容量凝胶态钠金属电池

文章总结

凝胶态钠金属电池（NMBs）因其成本低、钠资源丰富以及能量密度高的优点，成为大规模储能领域颇具潜力的候选者。然而，具有大容量的钠金属电池的长期使用寿命和安全性受到不稳定的电极 - 电解质界面的限制。在此，通过机械性能强的凝胶聚合物电解质（GPE）与钠阳极上的人工 NaBr/NaxSny层协同调控电极 - 电解质界面，使得对称电池在 0.5 mA cm⁻² 电流密度下具有超过 2500 小时的长期循环寿命，并且在 - 20℃下、0.2 mA cm⁻² 电流密度下拥有约 4700 小时的超长循环寿命。基于 Na3V2 (PO4) 3，当面积容量约为 0.9 mAh cm⁻² 时，SnBr2 - Na|GPE|Na3V2 (PO4) 3 全电池在 1100 次循环后容量保持率为 96.6%，这得益于 GPE 的高离子电导率（3.7 mS cm⁻¹）以及钠表面稳定的无机 NaBr/NaxSny 层。这项工作为开发具有高安全性和大容量的钠金属电池提供了新的思路。

图文简介

a) 基于聚四亚甲基醚二醇单丙烯酸酯（PTMA）的凝胶聚合物电解质（GPE）和经 SnBr₂预处理的钠电极的示意图。b) 基于 PTMA 的凝胶聚合物电解质的扫描电子显微镜（SEM）图像，以及 c) 钠电极上 NaBr/NaxSny 层的原始厚度的 SEM 图像。d) 经 SnBr₂预处理的钠电极和裸钠电极的 X 射线衍射（XRD）数据。e) 经 SnBr₂预处理的钠电极的 Sn 3d X 射线光电子能谱（XPS）结果。f) PTMA 和液态电解质（LE）点燃 10 秒后的燃烧实验对比。g) 基于 PTMA 的凝胶聚合物电解质中 B、C、N 和 O 元素分布的能量色散谱（EDS） mapping 结果.

在 0.5 mA cm⁻² 的电流密度以及面积容量分别为 a) 0.5 mAh cm⁻²、b) 1 mAh cm⁻² 和 c) 2 mAh cm⁻² 的条件下，带有或不带有经 SnBr₂预处理的钠电极的 Na|PTMA|Na 和 Na|LE|Na 对称电池的循环性能。d) SnBr₂-Na|PTMA|SnBr₂-Na 和 Na|LE|Na 对称电池的倍率稳定性，以及 e) 相应的极化电压值。f) SnBr₂-Na|PTMA|SnBr₂-Na 和 Na|LE|Na 对称电池在 0.2 mA cm⁻² 的电流密度和 - 20°C 条件下的长期循环稳定性对比。

a) 在 0.5 mA cm⁻² 的电流密度下进行钠电镀 0、10、20、30 和 60 分钟后，不同条件下钠电极的原位光学图像。b) 液态电解质（LE）中裸钠表面、c) 液态电解质（LE）中 SnBr₂保护的钠表面、d) 基于聚四亚甲基醚二醇单丙烯酸酯（PTMA）的凝胶聚合物电解质（GPE）中的钠表面，以及 e) 基于 PTMA 的 GPE 中 SnBr₂保护的钠表面在 0.5 mA cm⁻² 的电流密度和 0.5 mAh cm⁻² 的面积容量下循环 100 次后的扫描电子显微镜（SEM）横截面图像。

a) 在 10C 倍率下，NVP 负载量约为 4.5 mg cm⁻² 时，SnBr₂ - Na|PTMA|NVP 和 Na|LE|NVP 全电池的循环性能。b) SnBr₂ - Na|PTMA|NVP 和 Na|LE|NVP 全电池的倍率性能。c) 在 3C 倍率、面积容量为 1 mAh cm⁻² 时，SnBr₂ - Na|PTMA|NVP 和 Na|LE|NVP 全电池的循环稳定性。d) 在 3C 倍率、面积容量为 1 mAh cm⁻² 时，SnBr₂ - Na|PTMA|NVP 和 Na|LE|NVP 全电池的典型充放电曲线。e) 在 3C 倍率下，NVP 正极高负载量（8.6 mg cm⁻²）时，SnBr₂ - Na|PTMA|NVP（橙色）和 Na|LE|NVP（紫色）全电池的电压曲线对比。f) SnBr₂ - Na|PTMA|NVP 软包电池在不同测试条件下点亮发光二极管的光学图像。

论文信息

通讯作者： Ruijuan Shi,  Yong Zhao

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