Advanced Functional Materials:电极尺度钠补偿技术助力实现高能量密度钠离子全电池

随着地球化石能源不断消耗以及环境污染问题日益凸显,发展绿色可持续的新能源迫在眉睫。作为一种储能系统,钠离子电池由于其长寿命、低成本以及地壳中钠元素储量丰富等优点,被认为是具有潜在应用前景的规模化储能的一种选择,受到研究者的广泛关注研究。然而,研发高能量密度的钠离子全电池仍面临很多挑战,包括制备高比容、循环稳定的正、负极材料以及研发高安全性的电解液等。碳基材料因其优异的导电性、结构稳定性以及耐腐蚀性等众多优点,被认为是未来最有可能产业化的钠离子电池负极材料。然而,其低的首次库伦效率(通常小于80%)严重阻碍着碳基负极材料的产业化应用。钠离子电池在首次充放电过程中,负极表面会形成一层固体电解质界面膜(SEI)从而引起电池体系中可逆活性钠离子的减少,进而降低钠离子电池的能量密度。负极首次库伦效率越低意味着越多的活性钠将会被消耗。因此,提高负极材料的首次库伦效率以降低活性钠离子的损失对于提升全电池的能量密度是非常重要的。目前研究的预钠化技术主要包括电化学预钠化、正极添加剂(如NaN3, Na2C4O4)预钠化、金属钠颗粒预钠化等,然而,以上预钠化技术仍存在一定的缺陷,与现有电池制备技术相容性差。电化学预钠化虽可以很好地控制预钠化程度,然而,预钠化过程需要电池的重新拆卸和组装,所需设备复杂,操作环境要求严苛;正极添加剂预钠化则会在电化学反应过程中产生气体,严重影响电池的使用寿命以及安全性;金属钠颗粒则因其化学反应性高、空气稳定性差,存在一定的安全问题而不宜产业化应用。因此,开发一种与现有电池制备技术相容性高且简单、高效的钠补偿方法来提升全电池的能量密度具有非常重要的科学意义以及产业化应用价值,但,这仍是一项巨大的挑战。

近日,华中科技大学孙永明教授与美国阿贡国家实验室陆俊研究员团队合作,开发了一种廉价易得的预钠化溶液在电极尺度上对负极材料进行钠补偿。预钠化溶液为一种可溶解金属钠的具有低氧化还原电位的溶液。以碳基电极为例,通过预钠化可在碳负极表面预先形成一层SEI,且一定数量的活性钠离子也会预储存到碳电极中,通过控制负极预钠化溶液的添加量,碳基负极的首次库伦效率可以可控地进行调节(67-96%)。以Na0.9[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2为正极,碳基材料为负极组成的钠离子全电池,负极预钠化的全电池相比于负极没有预钠化的全电池表现出了更高的比容量以及能量密度(240 vs. 141 Wh kg −1)。该预钠化方法不会在电极上引入其他副产物或惰性残留物,可最大化电池的能量密度。此外,这种简单高效的预钠化方法也可普适于钠离子电池其他负极材料,如TiO2和Sn等,以及可通用于锂离子电池预锂化。 

研究者相信,此项研究将会为高能量密度钠离子电池的发展提供新的思路与研究策略。相关的研究工作以“A Simple Electrode‐Level Chemical Presodiation Route by Solution Spraying to Improve the Energy Density of Sodium‐Ion Batteries”为题,在线发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201903795)上。