Advanced Materials:基于多元混合阳离子的室温液态金属电池及其界面离子选择原理的研究

以锂金属为代表的碱金属负极坐拥超高能量密度,是最为理想的负极材料之一。然而普遍存在于金属电极之中的支晶生长现象威胁着碱金属负极的安全性。许多课题组曾报道过通过物理上纾解张力以及化学上设计电解液添加抑制剂来抑制支晶生长,然而作为材料与实际反应过程不均匀的本征特性,支晶的生长却只能抑制而无法根治。由钠钾合金组成的液态金属负极拥有良好的流动性和变形性,可以总根本上避免支晶的形成,并同时保有高能量密度,拥有比固态金属更快的反应动力学,是有潜力取代锂金属成为新一代碱金属负极的理想选择。在现阶段的钠离子和钾离子电池研究中,正极材料中兼顾高容量与高电位的选择寥寥无几。如何能够实现两全,既拥有无支晶的特性,又同时保有较高的能量密度呢?

美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华课题组,继与Prof. Goodenough课题组合作,深入研究了钠钾合金以及镓基合金液态金属并发表多篇成果之后,近日设计了一种混合离子电池,是以钠钾液态金属为负极、商业化的锂离子电池材料为正极组成的新型电池。这种设计完美地结合了这两方的优势,实现了同时具有高能量密度又能避免支晶,为碱金属离子电池的设计提供了全新思路。在锂钾离子混合电解液的环境中,负极钠钾合金中钾离子作为载荷体在循环中进行氧化还原,正极锂离子在Ni1/3Mn1/3Co1/3O3(NMC)的离子通道中由尺寸选择作为载荷体进行嵌入脱出,从而实现稳定循环。这种设计不但表现出至少500循环仅有每圈99.998%的良好的循环性,同时也表现出优秀的倍率性能和较高的能量密度。有趣的是,研究者发现在较低倍率时,由于金属与电解液接触表面形成的界面产物与高倍率下形成的有所不同,少量的钠离子可在此时进入电解液中,并可以反映在电压曲线上。通过精细的倍率调控,工作的载流子可被甄选出是否有钠离子的参与。

研究者相信,这项研究为复杂的三元混合阳离子电化学体系的精确调控提供了参考,为稳定选择利用电压差相近的阳离子中的某作为载荷体一种提供了思路,从而或许可以启发更多博百家之长的设计。同时,这个设计也为解决当前钠、钾离子电池的能量密度与倍率较低问题提供了解决方案,为切实的利用钠钾液态金属作为实际的商业化负极提供了一种可能性。相关论文在线发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202000316)上。