Advanced Materials:在高比能电池中有效利用钠金属负极的设计策略

钠电池的研究始于1960年。高温钠硫电池首先被开发出来。该电池采用熔融的金属钠作为负极,熔融的单质硫作为正极,并采用具有钠离子电导率的固态电解质作为隔膜。但由于其存在巨大的安全隐患,近些年来有关钠电池的研究主要集中在降低电池的工作温度上。在70年代末期和80年代初期,对常规锂离子和钠离子插层型材料的研究工作开始引起全世界的关注。但是由于缺少合适的负极材料,钠离子电池的商业化并没有进入到实质阶段。但由于钠资源储量丰富以及分布广泛,钠离子电池被认为是未来大规模、低成本储能系统的理想候选产品。自2009年以来,与钠电池有关的论文数量有着显着增长。由于传统的石墨负极材料的储钠性能远远低于储锂性能。目前大多数研究活动都致力于开发高性能负极材料以提高钠离子电池的能量密度。

最近,由于其较高的理论比容量(1166 mA h g-1)和较低的电极电势,科学人员的研究兴趣重新集中在钠金属负极的研究上。采用金属钠为负极的电池,例如室温钠硫(Na-S)电池,室温钠氧(Na-O2)电池和室温 ZEBRA型钠金属卤化物电池具有非常大的潜力成为新一代高比能量、低成本的储能装置。但目前关于钠金属负极的研究仍处于起步阶段,其在电池充放电反应过程中的复杂机理还没有被完全了解。

为了在实际的可充电电池系统中有效使用钠金属负极,需要克服诸多挑战。首先,抑制钠枝晶的生长可以提高电池的安全性能。其次,提高电极循环过程中的库仑效率可以最大程度地减少所需金属钠的用量,从而降低材料成本,增加整个电池系统的能量密度。同时出色的循环性能可以延长电池的使用寿命以满足客户的需求。

澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授课题组联合德国吉森尤斯图斯-李比希大学Jürgen Janek教授课题组首先对钠枝晶的生长机理进行了简要介绍。接下来总结了几种被广泛报道的抑制钠枝晶生长的策略,包括液体电解液优化,电解液添加剂选择,多孔集流体的设计,人工SEI膜的制备以及固态电解质的应用。最后,基于目前的研究现状,作者对钠金属负极未来的研究方向进行了展望。相关论文以“Design Strategies to Enable the Efficient Use of Sodium Metal Anodes in High‐Energy Batteries”为题,在线发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201903891)。