Small:高温钠-硫纳米电池中多硫化钠电化学的原位透射电镜研究

钠硫电池因具有钠硫资源丰富、无毒环保和低成本等优点而越来越受到人们的关注。高温钠硫电池在功率和能量密度、温度稳定性、充放电循环效率等方面具有明显优势,超出了电网储能应用的规模和成本要求。目前商用高温钠硫电池由于多硫化物的形成,其放电容量仅达到理论容量的三分之一,由于多硫化物直接成像技术难度大,对这一问题的了解有限。

燕山大学黄建宇教授团队结合原位透射电镜及微机电系统加热装置等技术,构筑了热-电-化学多场耦合的原位电镜测试平台。基于该平台利用填充于中空碳纳米管的硫为正极,金属钠为负极,钠表面自然生成的钠氧化物作为电解质,组装了高温钠硫纳米电池,研究硫正极的高温充放电机理。实时揭示了循环过程中瞬态多硫化物的形成和演化过程。硫在放电时转化为长链多硫化物、短链多硫化物,最后转化为液态Na2Sx或其与多硫化物的混合物,在高温充电时该过程是可逆的。研究发现在高温下,硫正极的充放电可逆性得到显著改善,但是硫正极会对碳材料产生严重腐蚀。论文还通过在硫正极中引入纳米空隙来缓冲大体积变化,从而保持了电子通道和离子通道的完整性,减少了Na+的扩散距离,在300℃时,硫阴极完全放电生成为Na2S,而不是传统认为的Na2S2。这一研究结果阐明了高温钠硫电池未能发挥理论容量的原因可能为Na2S2中间产物低的离子和电子电导。原位研究不仅为多硫化物电化学提供了新的认识,而且为提高高温钠硫电池的容量和循环性以及在电网存能应用中的性能提供重要的科学依据。所以,原位透射电子显微镜与微机电系统加热装置是探索固态钠硫电池电化学反应机理的一个非常有效的工具,在本研究方向有广阔的应用前景。

论文信息:

In Situ TEM Studies of Sodium Polysulfides Electrochemistry in High Temperature Na-S Nanobatteries

Yanshuai Li, Yongfu Tang*, Xiaomei Li, Wei Tu, Liqiang Zhang*, Jianyu Huang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202100846

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202100846

Small

“微米或纳米:没有一种材料能被轻视”。秉持这样的理念,Wiley旗下Small杂志自从2005年创刊以来,一直致力于发表和传播涉及微米和纳米材料的研究成果,无论理论或是实验,无论聚焦或是综合。近年来Small杂志的影响力与声誉年年攀升,最新影响因子已达11.459。稿件内容与读者群体已覆盖物理、化学、生物、工程等众多领域。