全固态钠电！孙学良院士，最新Nature Materials！
学术
2024-10-01 21:40
河南
可充电钠离子电池（NIBs）正在成为锂离子电池（LIBs）的可行替代品，特别是在能源储存方面。其中，全固态NIBs（ASSNIBs）使用固态电解质（SSEs）取代易燃液体电解质，具有更高的安全性和体积能量密度，以及解决Na枝晶生长问题。钠离子超导体是改变传统NIBs能量密度和安全性的关键部件，但是现有的钠超离子导体主要基于单阴离子框架，每个都有其固有的优缺点。基于此，加拿大西安大略大学孙学良院士（通讯作者）等人报道了一类具有氯氧双阴离子亚晶格的钠离子导体（Na2O2-MCly, NMOC；M=Hf, Zr, Ta；y=4, 5）。这些NMOC电解质的离子电导率很高，在25 °C时具有高达2.0 mS cm-1的离子电导率，这是由氯氧化物的结构促进的，氯氧化物可以通过具有不同功能的桥接氧和非桥接氧的协同效应实现钠离子的快速传输。此外，这些SSEs还具有几个优点：广泛的电化学稳定窗口、优异的成形性和适中的杨氏模量。当Na2O2-HfCl4（NHOC）电解质与层状氧化物Na0.85Mn0.5Ni0.4Fe0.1O2（NMNFO）正极直接匹配而不附加表面涂层时，所得到的ASSNIBs在0.2 C下具有显著的倍率性能和700次循环的稳定性，并且在0.2 C（1 C=120 mA g-1）室温下循环700次后容量保持率为78%。本研究为新一代Na离子SSEs的开发铺平了道路，提高了ASSNIB的性能。相关工作以《A family of dual-anion-based sodium superionic conductors for all-solid-state sodium-ion batteries》为题在《Nature Materials》上发表。首先，作者选择过氧化钠（Na2O2）和四氯化铪（HfCl4）在惰性气氛下通过一步机械化学过程合成了不同化学计量比的氯氧钠离子导体（xNa2O2-HfCl4；0.8≤x≤1.2）。X射线衍射（XRD）分析发现，在化学计量比为x=1.0时（即Na2O2-HfCl4或NHOC），没有明显的衍射峰，表明其为非晶相。值得注意的是，在x > 1.0的成分中，NaCl的杂质相普遍存在，而在较低Na2O2摩尔比的成分中，Na2HfCl6的杂质相更为明显。随着Na2O2含量的降低，Na2HfCl6含量的增加，衍射峰变强。图1. xNa2O2-MCly（M=Hf, Zr和Ta）SSEs的合成和性能在三种氯氧电解质中，NHOC基ASSNIBs表现出更优异的电化学性能。在0.1 C下，NHOC基ASSNIB实现了125.5 mAh g-1的初始放电容量，库仑效率超过99.9%，与使用NMNFO正极的液基电池相当。在最初的三次循环中，重叠的充放电曲线表明NMNFO正极在NHOC基ASSNIB中具有高度可逆的相变。NHOC基ASSNIB在0.1、0.2、0.3、0.5和1.0 C下的可逆放电容量分别为119.7、111、100、81.9和31.4 mAh g-1。当C倍率恢复到0.1 C时，电池保留了其初始容量的95.3%。令在0.2 C下，NHOC基ASSNIB在700次循环中保持了78%的初始容量，平均库仑效率约为99.9%。图3. NHOC SSEs基ASSNIBs的电化学性能界面兼容性，包括机械、化学和电化学方面，对ASSNIBs的长期性能至关重要。扫描电镜图像和NHOC基正极的元素映射显示，NMNFO颗粒很好地嵌入在NHOC SSEs中，颗粒边缘完全封装，表明通过冷压实现了有效的界面接触，这归功于NHOC优异的可变形性和与NMNFO正极的粘附性。NHOC电解质与阴极复合层之间紧密的界面粘附以及无缝的NHOC-Na3PS4界面，进一步证明了NHOC SSEs优越的机械性能。A family of dual-anion-based sodium superionic conductors for all-solid-state sodium-ion batteries. Nature Materials, 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-024-02011-x.🌟 同步辐射，找华算 ！三代光源，全球机时，最快一周出结果，保质保量！👉全面开放项目：同步辐射硬线/软线/高能/液体/原位/SAXS/GIWAXS/PDF/XRD/数据拟合！🏅 500+博士团队护航，助力20000+研究在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
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