Advanced Energy Materials:红磷衍生的高离子电导率、高机械强度人造SEI实现无枝晶钠(钾)金属负极

随着大规模储能的快速发展,低成本的钠(钾)离子电池得到了广泛的关注。金属钠(钾)负极,由于具有较高的理论比容量(钠:1165 mAh g-1,钾:687 mAh g-1)和较低的电势(钠:-2.71 vs. SHE,钾:-2.93 vs. SHE),被认为是最理想的下一代高能量密度钠(钾)离子电池负极材料。然而,与金属锂负极类似,金属钠(钾)负极沉积/脱出过程中容易形成枝晶。枝晶的形成一方面会造成不可逆容量增加,循环寿命下降,严重时枝晶会刺穿隔膜与正极接触导致内部短路,进而引起火灾、爆炸等安全事故;另一方面,部分枝晶可能会折断,从而形成电子绝缘的“死钠(钾)”。因而,如何克服上述问题成为金属钠(钾)负极商业化的关键。

最近,中国科学技术大学余彦教授和广东工业大学芮先宏教授利用一种简单的红磷预处理的方法,在金属钠(钾)负极表面构造一层具有高离子电导率和优异机械强度的人造固体电解质界面层(SEI),抑制枝晶的生长。相关研究成果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202003381)上。研究表明借助室温下金属钠(钾)与红磷之间自发的化学反应,会形成一层Na3P(KxPy)人造SEI。所形成的Na3P保护层能垒低11.0 kJ mol-1,离子电导率高0.12 ms cm-1、杨氏模量高8.6 GPa。基于上述优点,Na3P保护层能够有效地加快Na+在电极/电解液界面的迁移,使离子通量更加均匀;同时,高杨氏模量的Na3P保护层能够进一步抑制钠枝晶的生长。所形成的KxPy保护层同样具有上述特点。实验结果表明, Na3P(KxPy)保护的钠(钾)金属负极具有更低的阻抗和更好的电化学性能。在1.0 mA cm-2、1.0 mAh cm-2条件下,钠金属的循环寿命从120h提升到780h;当与Na3V2(PO4)3匹配成全电池时,15C下能循环400次,30C下容量可达53.2 mAh g-1。在0.5 mA cm-2,0.5 mAh cm-2的条件下,钾金属的循环寿命从55h提升到550h. 综上,本研究报道了一种通过红磷衍生保护层抑制钠(钾)枝晶生长的新方法,该方法对促进低成本钠(钾)电池的发展具有非常关键的作用。