刘利峰Nano Energy：非塌陷三维SEI助力快充钠金属电池

基于钠金属负极的可充钠电池被认为是锂电池的一种有前途的廉价替代品，能够为固定和移动能量存储提供高能量密度。然而，枝晶生长、不稳定的固体电解质界面（SEI）和钠的高反应性带来的主要挑战严重阻碍了钠金属负极的实际应用。

伊比利亚国际纳米技术实验室刘利峰等报道一种新颖的钠金属负极设计，该负极包含均匀嵌入双连续、机械坚固3D人工SEI框架中的纳米结构钠金属。

图1 Na金属负极的剥离过程

具体而言，受保护的钠金属负极是由富钠Na₅₇K合金纳米棒与聚四氟乙烯纳米颗粒(PTFE)通过简单的机械研磨工艺制成的，在此期间Na₅₇K合金会触发PTFE的交联反应，从而形成3D人造嵌入钠金属纳米结构的SEI框架(PTFE@NaNR)。

鉴于PTFE衍生物的机械强度，PTFE@NaNR可以在反复脱钠和沉积时保持出色的结构稳定性，以防止电极结构坍塌，同时消除对3D主体结构的需求。此外，连续的3D SEI框架包含来自PTFE脱氟产生的NaF和KF，从而实现负极内快速的离子传输并能更好地适应体积变化。

图2 电化学性能

因此，PTFE@NaNR负极表现出优异的循环稳定性，在0.5 mA cm^-2下重复钠沉积和剥离超过1400小时后，没有发生枝晶诱导的失效，并且在更高的电流密度下仍表现出良好的循环性能，例如2和4 mA cm^-2。

此外，在以Na₃V₂(PO₄)₃为正极材料的全电池中进行测试时，即使在贫电解液中，在1 C、2 C和3 C循环450次后，电池容量保持率分别可达80.7%、76.5%和71.5%，从而显示出在快速充电钠金属电池中使用的巨大希望。

图3 循环期间电极形貌的演变

Non-collapsing 3D solid-electrolyte interphase for high-rate rechargeable sodium metal batteries. Nano Energy 2022. DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.106947

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