Small:无机铁电相BaTiO₃改善陶瓷电解质与钠金属电极的界面兼容性

传统金属离子电池多采用有机液态电解质,在电池服役过程中易出现电极材料腐蚀、电解液挥发甚至自燃等问题。通过添加阻燃剂、开发耐高温隔膜、正负极材料表面修饰、电池结构的优化以及冷却系统的改善,可在一定程度上缓解传统液态电池使用过程中的安全隐患,但并不能确保大容量、大功率电池系统的长期安全运行。而采用无机固态电解质可有效排除传统液态有机电解液带来的种种困扰,使电池的安全性和能量密度更高。目前为止,最具前景的陶瓷电解质类型有Na-β-Al2O3、钙钛矿结构、Garnet结构和NASICON(sodium super ion conductor,钠超离子导体)结构的氧化物电解质。其中NASICON结构的陶瓷电解质(Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, Li1+xAlxGe2-x(PO4)3, Na1+xZr2SixP3-xO12)具有稳定的化学性质、较宽的电化学窗口和相对较高的离子电导率(室温下可达10-3 S·cm-1),但由于其与固态金属电极的界面接触状态复杂,界面接触电阻较大、金属枝晶生长等问题,造成固态金属电池的循环性能不佳。

北京理工大学材料学院赵永杰副教授研究小组为改善Na3Zr2Si2PO12陶瓷电解质与钠金属电极的界面兼容性,通过向NASICON型陶瓷电解质中引入无机铁电相BaTiO3­,制得了一种兼具铁电性能的复合陶瓷电解质。BaTiO3作为一种典型的铁电材料,其铁电畴会自发极化,形成局部的内建电场有效调控载流子在钠金属/NASICON陶瓷电解质界面处的分布和输运特性。此外,BaTiO3可以通过铁电畴翻转消耗金属枝晶生长引发裂纹扩展的驱动力,进而提高陶瓷电解质基体的断裂韧性。此研究得到国家自然科学基金(52072033)的资助支持。

所得复合陶瓷电解质的室温离子电导率可达0.96 mS cm-1,与钠金属电极的界面电阻低至65.1 Ω cm-2,极限电流(1.05 mA cm-2)明显高于原始陶瓷电解质。在0.1-0.3 mA cm-2 的电流密度下可稳定循环1000 h以上。结合研究小组前期开发的Na3V1.5Cr0.5(PO4)3正极材料组装钠金属全固态电池,在100 mA g-1的电流强度下可保有95 mAh g-1的容量,400次循环后容量保持率达到84.4%。该研究工作为改善氧化物陶瓷电解质界面兼容性和陶瓷电解质的机械性能提供了新的思路。

论文信息:

Solid-State Na Metal Batteries with Superior Cycling Stability Enabled by Ferroelectric Enhanced Na/Na3Zr2Si2PO12 Interface

Zheng Sun, Yongjie Zhao*, Qing Ni, Yang Liu, Chen Sun, Jingbo Li, Haibo Jin

Small

DOI: 10.1002/smll.202200716

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202200716