钠离子硫化物固态电解质研究进展
发布时间：2020-12-24 20:33
全固态钠离子电池由正极、固态电解质和负极三部分组成,固态电解质作为导通离子隔绝电子的核心部件,既需要高的离子电导率,又要求良好的电解质-电极的固固接触和界面稳定性以维持有效的离子传输。硫化物电解质因具有众多优势而备受关注。近年来,在提高其离子电导率方面已取得较大进展,在对其化学稳定性、与电极材料的界面稳定性等方面研究还在不断深入。本文通过对近期相关文献的梳理,讨论了目前钠离子硫化物无机固态电解质的发展概况,分别对硫化物电解质的制备工艺、结构以及电导率做了系统评述,着重介绍了机械化学合成、固相烧结以及化学液相合成的方法,系统分析了基于Na3PS4和Na3SbS4的三元硫化物及基于Na11Sn2PS12和Na11Sn2SbS12的四元硫化物的成分设计策略,重点总结了阴离子和阳离子掺杂所导致的钠离子空位/间隙、离子结合能、晶格软化、钠离子分布、结构对称性等变化对优化离子输运的作用机制。同时,总结了基于硫化物电解质的全固态钠电池界面特性的研究进展,主要分析了正极-电解质固固接触的改善策略和金属负极-电解质界面失效机理和稳定性提升措施,表明解决界面问题的紧迫性。最后,展望了钠离子硫化物电解质下一...
【文章来源】：储能科学与技术. 2020年05期
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
(100-x)Na3PS4xNa4SiS4玻璃-陶瓷相室温离子电导率[58]；(b)立方相Na3PS4晶体结构与间隙钠离子[59]；(c)Na3P3-xAsxS4室温离子电导率随x的变化(i)与Na3P0.62As0.38S4Arrhenius图(ii)[36]；(d)c-Na3-2xCaxPS4室温离子电导率与活化能随x的变化[61]Fig.3(a)roomtemperatureionconductivityof(100-x)Na3PS4xNa4SiS4glass-ceramic[58];(b)crystalstruct
提高。下一步希望在保持高离子电导率的基础上，发展增强化学稳定性的方法，例如掺杂、复合、包覆等，以期实现更好的应用前景。2.1.2Na3SbS4电解质Na3SbS4是另一种有趣的钠离子硫化物电解质，它不仅具有该体系最高的离子电导率，还能在水中形成稳定的水合物，而不是水解产生硫化氢。其晶体结构与Na3PS4相似，拥有三维离子扩散通道。2016年，Zhang等[41]首次报道了一种室温离子电导率高达3×10-3S/cm的电解质Na3SbS4，其活化能为0.25eV。该电解质结构如图4(a)所示，拥有四方相的晶体结构，Rietveld精修发现Na2位点存在20%的钠空位，而不是完全填满钠原子，整个结构中包含2.5%的钠离子空位。结合理论模拟和实验分析，他们研究了立方和四方相对Na3SbS4离子迁移的影响[38]，发现立方相能适当提高离子电导率，但数值都在同一数量级上。此外，该电解质在干燥空气中很稳定，在空气湿度为65%的条件下暴露5h后形成了Na3SbS49H2O，继续将其在100°C下加热5h后脱水恢复为Na3SbS4，这种特质为水溶液法合成提供了基矗同年Hong和Jung等[63]通过溶液法合成出Na3SbS4，离子电导率为1×10-4～3×10-4S/cm，活化能为0.2eV，并成功将其包覆在活性材料表面[图4(b)]，电池性能较机械混合的正极有了显著提高。Na3SbS4优秀的空气稳定图4(a)Na3SbS4的晶体结构[41]；(b)Na3SbS4包覆NaCrO2的SEM图[63]；(c)Na3SbSe4-xSx晶胞参数随x的变化[65]；(d)Na4-xSn1-xSbxS4的晶体结构示?
4的颗粒粗、粒度分布大。包覆型电极获得了高的离子扩散率和低的界面阻抗，其Na离子扩散系数比混合电极高7倍，由这两种电极测试的CV曲线也能直观反应出这种差别[图6(b)]。包覆电极表现出优异的电池性能，在583.2mA/g的电流密度下具有316mA·h/g的比容量；在活性物质量为0.62mg/cm时，在437.4mA/g的电流密度下，电池循环100圈后容量保持在504mA·h/g，达到了98.9%的高容量保持率[图6(c)]。循环后，电池的正极依然保持完整的形貌。Yao等[83]报道了使图6(a)正极材料组装示意图及电池充放电性能[44]；(b)Na3SbS4形成的均匀的包覆层示意图[91]；(c)包覆与不包覆情况下在不同电流密度下的充放电循环图[91]Fig.6(a)schematicdiagramofpositiveelectrodeassemblingandthecorrespondingbatteryperformance[44];(b)schematicdiagramoftheuniformcoatingofNa3SbS4[91];(c)CVcurvesandcyclingperformanceofthecellswithandwithoutcoatinglayer[91]1277
【参考文献】：
期刊论文
[1]钠离子电池机遇与挑战[J]. 曹余良. 储能科学与技术. 2020(03)
[2]钠离子电池：从基础研究到工程化探索[J]. 容晓晖,陆雅翔,戚兴国,周权,孔维和,唐堃,陈立泉,胡勇胜. 储能科学与技术. 2020(02)
[3]Composite solid electrolyte of Na3PS4-PEO for all-solid-state SnS2/Na batteries with excellent interfacial compatibility between electrolyte and Na metal[J]. Xiaoyan Xu,Yuanyuan Li,Jun Cheng,Guangmei Hou,Xiangkun Nie,Qing Ai,Linna Dai,Jinkui Feng,Lijie Ci. Journal of Energy Chemistry. 2020(02)
[4]全固态钠离子电池硫系化合物电解质[J]. 陈光海,白莹,高永晟,吴锋,吴川. 物理化学学报. 2020(05)
[5]掺杂型Na3SbS4钠离子固体电解质的制备与离子输运性能研究[J]. 张德超,张隆. 燕山大学学报. 2019(02)
[6]室温钠离子电池材料及器件研究进展[J]. 陆雅翔,赵成龙,容晓晖,陈立泉,胡勇胜. 物理学报. 2018(12)
[7]钠离子电池合金类负极材料的研究进展[J]. 刘创,卢海燕,曹余良. 中国材料进展. 2017(10)
[8]全固态锂电池界面的研究进展[J]. 张强,姚霞银,张洪周,张联齐,许晓雄. 储能科学与技术. 2016(05)
[9]室温钠离子电池技术经济性分析[J]. 方铮,曹余良,胡勇胜,陈立泉,黄学杰. 储能科学与技术. 2016(02)
[10]硫代快离子导体电解质材料的研究进展[J]. 张隆,杨坤,董建英,芦磊. 燕山大学学报. 2015(02)
本文编号：2936271
【文章来源】：储能科学与技术. 2020年05期
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
(100-x)Na3PS4xNa4SiS4玻璃-陶瓷相室温离子电导率[58]；(b)立方相Na3PS4晶体结构与间隙钠离子[59]；(c)Na3P3-xAsxS4室温离子电导率随x的变化(i)与Na3P0.62As0.38S4Arrhenius图(ii)[36]；(d)c-Na3-2xCaxPS4室温离子电导率与活化能随x的变化[61]Fig.3(a)roomtemperatureionconductivityof(100-x)Na3PS4xNa4SiS4glass-ceramic[58];(b)crystalstruct
提高。下一步希望在保持高离子电导率的基础上，发展增强化学稳定性的方法，例如掺杂、复合、包覆等，以期实现更好的应用前景。2.1.2Na3SbS4电解质Na3SbS4是另一种有趣的钠离子硫化物电解质，它不仅具有该体系最高的离子电导率，还能在水中形成稳定的水合物，而不是水解产生硫化氢。其晶体结构与Na3PS4相似，拥有三维离子扩散通道。2016年，Zhang等[41]首次报道了一种室温离子电导率高达3×10-3S/cm的电解质Na3SbS4，其活化能为0.25eV。该电解质结构如图4(a)所示，拥有四方相的晶体结构，Rietveld精修发现Na2位点存在20%的钠空位，而不是完全填满钠原子，整个结构中包含2.5%的钠离子空位。结合理论模拟和实验分析，他们研究了立方和四方相对Na3SbS4离子迁移的影响[38]，发现立方相能适当提高离子电导率，但数值都在同一数量级上。此外，该电解质在干燥空气中很稳定，在空气湿度为65%的条件下暴露5h后形成了Na3SbS49H2O，继续将其在100°C下加热5h后脱水恢复为Na3SbS4，这种特质为水溶液法合成提供了基矗同年Hong和Jung等[63]通过溶液法合成出Na3SbS4，离子电导率为1×10-4～3×10-4S/cm，活化能为0.2eV，并成功将其包覆在活性材料表面[图4(b)]，电池性能较机械混合的正极有了显著提高。Na3SbS4优秀的空气稳定图4(a)Na3SbS4的晶体结构[41]；(b)Na3SbS4包覆NaCrO2的SEM图[63]；(c)Na3SbSe4-xSx晶胞参数随x的变化[65]；(d)Na4-xSn1-xSbxS4的晶体结构示?
4的颗粒粗、粒度分布大。包覆型电极获得了高的离子扩散率和低的界面阻抗，其Na离子扩散系数比混合电极高7倍，由这两种电极测试的CV曲线也能直观反应出这种差别[图6(b)]。包覆电极表现出优异的电池性能，在583.2mA/g的电流密度下具有316mA·h/g的比容量；在活性物质量为0.62mg/cm时，在437.4mA/g的电流密度下，电池循环100圈后容量保持在504mA·h/g，达到了98.9%的高容量保持率[图6(c)]。循环后，电池的正极依然保持完整的形貌。Yao等[83]报道了使图6(a)正极材料组装示意图及电池充放电性能[44]；(b)Na3SbS4形成的均匀的包覆层示意图[91]；(c)包覆与不包覆情况下在不同电流密度下的充放电循环图[91]Fig.6(a)schematicdiagramofpositiveelectrodeassemblingandthecorrespondingbatteryperformance[44];(b)schematicdiagramoftheuniformcoatingofNa3SbS4[91];(c)CVcurvesandcyclingperformanceofthecellswithandwithoutcoatinglayer[91]1277
【参考文献】：
期刊论文
[1]钠离子电池机遇与挑战[J]. 曹余良. 储能科学与技术. 2020(03)
[2]钠离子电池：从基础研究到工程化探索[J]. 容晓晖,陆雅翔,戚兴国,周权,孔维和,唐堃,陈立泉,胡勇胜. 储能科学与技术. 2020(02)
[3]Composite solid electrolyte of Na3PS4-PEO for all-solid-state SnS2/Na batteries with excellent interfacial compatibility between electrolyte and Na metal[J]. Xiaoyan Xu,Yuanyuan Li,Jun Cheng,Guangmei Hou,Xiangkun Nie,Qing Ai,Linna Dai,Jinkui Feng,Lijie Ci. Journal of Energy Chemistry. 2020(02)
[4]全固态钠离子电池硫系化合物电解质[J]. 陈光海,白莹,高永晟,吴锋,吴川. 物理化学学报. 2020(05)
[5]掺杂型Na3SbS4钠离子固体电解质的制备与离子输运性能研究[J]. 张德超,张隆. 燕山大学学报. 2019(02)
[6]室温钠离子电池材料及器件研究进展[J]. 陆雅翔,赵成龙,容晓晖,陈立泉,胡勇胜. 物理学报. 2018(12)
[7]钠离子电池合金类负极材料的研究进展[J]. 刘创,卢海燕,曹余良. 中国材料进展. 2017(10)
[8]全固态锂电池界面的研究进展[J]. 张强,姚霞银,张洪周,张联齐,许晓雄. 储能科学与技术. 2016(05)
[9]室温钠离子电池技术经济性分析[J]. 方铮,曹余良,胡勇胜,陈立泉,黄学杰. 储能科学与技术. 2016(02)
[10]硫代快离子导体电解质材料的研究进展[J]. 张隆,杨坤,董建英,芦磊. 燕山大学学报. 2015(02)
本文编号：2936271
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