Advanced Materials:从理论到实践揭示钠/钾金属电池保护层的设计原则

钠/钾资源在地球上储量丰富,使得钠/钾基二次电池成为最有潜力的新一代大规模储能器件。相比于传统的负极材料,钠/钾金属负极具有高的理论比容量(1165/687 mAh g-1)和低的氧化还原电位(-2.71/-2.93 V vs. SHE)。此外,钠/钾金属负极可以与无钠/钾正极匹配成全电池(Na/K-O2,Na/K-CO2,Na/K-S,Na/K-有机材料)。因此,钠/钾金属电池具有高能量密度和低成本的优势。然而,钠/钾金属表面枝晶的生长、电解液分解严重、库伦效率低、循环稳定性差,甚至存在潜在的安全隐患,严重阻碍了它们的实际应用。截至目前,已经有大量的钠/钾金属改性策略被报道,其中构筑钠/钾金属表面修饰层被认为是一种提升循环性能与安全性能的有效策略。但其中绝大多数以实验验证为主,缺乏理论计算的指导。因此,为了更好的帮助研究人员选择出合适的钠/钾金属修饰层材料,从理论预测的角度对材料进行筛选尤为关键。

中国科学技术大学余彦教授课题组通过理论计算筛选出Na2Te/K2Te是一种潜在的钠/钾金属修饰层材料:①低电子电导(禁带宽度为2.28/2.22 eV);②高钠/钾离子扩散系数(3.7×10-10/1.6×10-10 cm2 s-1(300 K));③亲钠/钾性(对钠/钾吸附能为-3.371/-3.655 eV);④高机械强度(Na2Te杨氏模量为8.7 Gpa)。随后通过在钠/钾金属表面直接涂覆纳米碲粉的方法,构筑了Na2Te/K2Te保护层(Na@Na2Te/K@K2Te)。实验测试表明,相比于纯金属Na,Na@Na2Te具有更小的极化电压,更大的交换电流密度与更小的钠离子迁移能垒。实验结果与理论计算结论相一致,改性后的钠/钾金属负极展现出优秀的电池性能:Na@Na2Te对称电池在碳酸酯电解液中可稳定循环700 h(1 mA cm-2, 1 mAh cm-2,未改性的Na对称电池仅能循环114 h),Na3V2(PO4)3//Na@Na2Te全电池在20 C电流密度下循环3000圈,容量保持率可达93%。K@K2Te对称电池可稳定循环800 h(0.5 mA cm-2, 0.5 mAh cm-2,未改性的K对称电池仅能循环160 h),PTCDA//K@K2Te全电池能循环1000圈(20 C),容量保持率为76%。综上,本研究通过理论计算筛选出Na2Te/K2Te是一种合适的钠/钾金属电池保护层材料,随后实验验证了理论计算的结果,该研究对促进钠/钾金属保护层的发展具有理论指导的作用。

论文信息:

Design Principles of Sodium/Potassium Protection Layer for High-Power High-Energy Sodium/Potassium-Metal Batteries in Carbonate Electrolytes: A Case Study of Na2Te/K2Te

Hai Yang,Fuxiang He, Menghao Li, Fanyang Huang, Zhihao Chen, Pengcheng Shi, Fanfan Liu, Yu Jiang, Lixin He, Meng Gu, Yan Yu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202106353

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106353