Nature子刊：一类用于超长寿命的可充电电池的液态负极

【引言】

安全性和稳定性是目前电池在实际应用中所面临的重大挑战。以碱金属为负极、使用有机液态电解质的电池循环稳定性差，在充放电的过程易形成枝晶造成电池内部短路。而对于使用固态电解质的全固态电池而言，碱金属负极与固态电解质的界面电阻高，通常需要在较高的温度（300–350 ^oC）下工作以降低界面电阻。用液态负极代替碱金属固态负极时，可以提高电池的循环稳定性，避免充放电过程中枝晶结构的形成，降低全固态电池中负极与电解质的界面电阻，极大地提升电池的寿命。

【成果简介】

近日，中科院物理所的胡勇胜研究员课题组研究发现，将碱金属溶解在芳香烃和醚类的溶剂中，可得到可替代碱金属负极的液态负极。例如，将金属钠溶解在联苯和乙二醇二甲醚中得到的液态负极（Na-BP-DME），室温下电导率高达1.2x10^-2 S cm^-1，且比Na的电极电势低0.09 V。使用该类液态负极的电池的循环寿命得到了大幅提升，室温下循环3500后容量仍未发生明显衰减。该成果以“A class of liquid anode for rechargeable batteries with ultralong cycle life”为题发表在Nature Communications上。

图1.Na-BP-DME溶液的物理性能

(a)不同浓度的Na-BP-DME溶液的照片

(b)不同浓度的Na-BP-DME溶液的电化学阻抗谱

(c)采用Na⁺离子阻断电池测得的浓度为1 M的Na-BP-DME溶液的电化学阻抗谱

(d)Na-BP-DME液滴在Na-b”-Al₂O₃固态电解质上的润湿行为

图2. Na-BP-DME溶液的电化学性能

(a)Na-BP-DME|BASE|Na电池的开路电压

(b)Na-BP-DME|BASE|Na-BP-DME对称电池的循环性能

图3.Na₂S₈|BASE|Na-BP-DME(1 M)电池的电化学性能

(a)Na₂S₈|BASE|Na-BP-DME电池在1.2-2.5V电压范围的恒流循环充放电曲线

(b)Na₂S₈|BASE|Na-BP-DME电池在1.2-2.5V电压范围和300 mA g^-1的电流密度下的循环稳定性

(c)Na₂S₈|BASE|Na-BP-DME电池在1.8-2.5V电压范围的恒流循环充放电曲线

(d)Na₂S₈|BASE|Na-BP-DME电池在1.8-2.5V电压范围和300 mA g^-1的电流密度下的循环性能

图4.Na₂S₈|BASE|Na-BP-TEGDME(1 M)电池电化学性能

(a)Na₂S₈|BASE|Na-BP-TEGDME电池在1.8-2.5V电压范围的恒流循环充放电曲线

(b)Na₂S₈|BASE|Na-BP-TEGDME电池在1.8-2.5V电压范围和300 mA g^-1及440 mA g^-1的电流密度下的循环稳定性

(c)Na₂S₈|BASE|Na-BP-TEGDME电池在1.8-2.5V电压范围和不同的电流密度下的倍率性能

(d)Na₂S₈|BASE|Na-BP-TEGDME电池在1.8-2.5V电压范围和1100 mA g^-1的电流密度下的长循环稳定性

【总结】

文章展示了一类合成方法简单的可替代碱金属负极的液态负极以及其在可充电的钠b-氧化铝电池中的使用情况。实验结果表明，该类液态负极与碱金属负极相比存在以下优点：

（1）电导率高，较好的可逆性和稳定性，可润湿固态电解质，无枝晶，安全性高；

（2）可通过改变碱金属、芳香烃或醚的种类来适应不同电池的物理和电化学特性；

（3）可以使用硫正极以及其他高溶解性的正极；

（4）可以设计成柱状/平板电池或者氧化还原液流电池。

文献链接：A class of liquid anode for rechargeable batteries with ultralong cycle life(Nat. Commun., 2017, DOI：10.1038/ncomms14629)

本文由材料人新能源学术组姚振国供稿，背逆时光 编辑整理。

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