基于无机钠离子导体的固态钠电池研究进展
发布时间：2021-08-31 02:46
锂离子电池的迅速发展导致锂价格上涨,另外,锂资源地壳储量低且分布不均,引起了人们对锂离子电池替代品的研究。钠资源丰富且与锂有相似的化学性质,使得钠离子电池受到广泛关注。基于不可燃无机固态电解质的固态钠电池,兼具高安全和低成本的优势,成为规模化储能领域非常有前景的储能器件。经过不懈努力,适用于固态钠电池的电解质已经被陆续开发,包括常见的β-Al2O3、NASICON型、硫化物型固态电解质以及新型富钠反钙钛矿和复合氢化物等。这些钠离子固态电解质经过合成条件优化、元素取代或置换、结构调控等手段,室温离子电导率可达10-3S/cm以上,已经完全可满足实用需求。但是,固态钠电池的实际应用依然受到较大挑战,主要是固态电池中电解质与正负极材料间的化学、电化学相容性差,以及固-固界面接触问题。本文通过梳理近些年与固态钠电池相关的研究,总结了不同类型固态电解质应用到固态钠电池过程中遇到的机遇和挑战,以及相应解决策略,同时讨论了固态钠电池未来可能的发展方向和趋势。总的来说,主要通过引入离子液体或聚合物、多孔结构设计、电解质包覆,以及复合正极设计等方式,提升固态钠电池电化学稳定性。
【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(05)CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
Na-二茂铁电池充放电电压与时间关系图；(b)Na|Na2B10H10-3Na2B12H12|TiS2电池的充放电曲线；(c)Na|Na2(B12H12)0.5(B10H10)0.5|NaCrO2电池的长循环曲线；(d)Na|Na3NH2B12H12|TiS2电池的充放电曲线Fig.5(a)discharge/chargevoltagesversustimeforaNa-ferrocenecell[85];(b)discharge/chargeprofilesofNa|Na2B10H10-3Na2B12H12|TiS2[87];(c)longtermcyclingofaNa
对较少，且各自性能参差不齐，其中的界面问题和材料本身的电化学稳定性等方面，未来还需要更多努力，以推动新型固态电解质在固态钠电池中的应用。4结语固态钠电池作为高安全、低成本储能器件，正受到人们广泛关注。但是，在电池固态化进程中，固态电解质与固体电极材料之间的界面问题，包括界面相容性和界面接触等，严重阻碍其实际应用。本文综述了无机固态电解质在固态钠电池中的研究进展，包括β-Al2O3、NASICON氧化物固态电解质，硫化物固态电解质，以及新型反钙钛矿和复合氢化物电解质。图6为氧化物和硫化物基固态钠电池中电池性能优化的主要策略。氧化物固态电解质较硬，晶界阻抗较大，与固态电极材料接触易产生较大界面阻抗，通过设计电解质多孔结构，或在正负极/电解质界面处添加聚合物或离子液体等，可以增加电解质与电极材料紧密接触，减小界面阻抗，提升电池循环稳定性；负极侧则可添加亲钠层，增加电解质与金属钠亲和性，减小界面阻抗，促进钠负极均匀沉积。硫化物电解质较软，具有一定的可变形性，通常采用液相法对正极材料进行电解质包覆，增加活性物质与固态电解质接触面积；其次，将材料纳米化增加活性物质与电解质均匀混合，以及设计与硫化物相容性较好的正极材料，也可有效改善固态电池性能；负极方面，由于硫化物电解质的电化学不稳定性，通常与Na-Sn合金匹配或在金属钠/电解质界面引入稳定保护层，以防止电解质在电池运行中产生分解。新型钠离子固态电解质虽然均具有较大潜能，但各自缺陷也比较明显，在固态钠电池方面的应用还需要未来进一步探索。参考文献[1]ZHAOQ,STALINS,ZHAOCZ,etal.Designingsolid-stateelectrolytesforsafe,energy-densebatteries[J].Natu
(g)～(i)所示，采用致密层与多孔层复合的β-Al2O3双层电解质，应用到Na-NiCl2电池中，熔融态的钠渗透至多孔层，增加负极与电解质有效接触面积，提升电池循环性能[31]。对β-Al2O3精细抛光后再进行热处理，则可以消除表面氢氧根基团和碳基污染物，极大地改善β-Al2O3与Na负极的界面接触[32]。1.2基于NASICON型固态电解质的固态钠电池NASICON是钠超离子导体的简称，最典型的分子式为Na3Zr2Si2PO12(NZSP)，被认为是最具潜力图2(a)正极用离子液体(IL)修饰的Na|SEs|NVP-IL固态电池的示意图和(b)相应的固态电池在10C的倍率下循环10000圈的长循环性能；(c)用两种不同的方法制备的电极的微观结构示意图；(d)和(e)分别为NVP-NZSP-Na固态电池在25℃下的倍率性能和循环性能；(f)基于0.1Ca-NZSP固态电解质构筑三维的金属钠负极的全固态电池示意图及(g)该电池在不同电流密度下的循环性能Fig.2(a)schematicrepresentationoftheNVP/IL/SE/Nasolid-statebatteriesand(b)cyclingperformanceoftheNa|SEs|NVP-ILsolid-statebatteryatroomtemperaturewithacurrentrateof10Cfor10000cycles[39];(c)schematicsoftypicalelectrodemicrostructurebytwodifferentprocessingroutes;(d)performanceofacelloperatingwithdifferentcurrentdensitiesand(e)dischargecapacityandCoulombicefficiencyforeachcycleofNVP-NZSP-Nacellsoperatingat25°C[42];(f)SchematicofthefullSSSBwith3Dsodiummetalanodebasedontrilayer0.1Ca-NZSPelectrolyteand(g)thecyclingproflieofthesolid-statebatteryatdifferentcurrentdensities
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]无机钠离子电池固体电解质研究进展[J]. 徐来强,李佳阳,刘城,邹国强,侯红帅,纪效波. 物理化学学报. 2020(05)
[3]NASICON-structured Na3.1Zr1.95Mg0.05Si2PO12 solid electrolyte for solid-state sodium batteries[J]. Jing Yang,Hong-Li Wan,Zhi-Hua Zhang,Gao-Zhan Liu,Xiao-Xiong Xu,Yong-Sheng Hu,Xia-Yin Yao. Rare Metals. 2018(06)
[4]钠离子固体电解质材料研究进展[J]. 刘丽露,戚兴国,邵元骏,潘都,白莹,胡勇胜,李泓,陈立泉. 储能科学与技术. 2017(05)
本文编号：3374023
【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(05)CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
Na-二茂铁电池充放电电压与时间关系图；(b)Na|Na2B10H10-3Na2B12H12|TiS2电池的充放电曲线；(c)Na|Na2(B12H12)0.5(B10H10)0.5|NaCrO2电池的长循环曲线；(d)Na|Na3NH2B12H12|TiS2电池的充放电曲线Fig.5(a)discharge/chargevoltagesversustimeforaNa-ferrocenecell[85];(b)discharge/chargeprofilesofNa|Na2B10H10-3Na2B12H12|TiS2[87];(c)longtermcyclingofaNa
对较少，且各自性能参差不齐，其中的界面问题和材料本身的电化学稳定性等方面，未来还需要更多努力，以推动新型固态电解质在固态钠电池中的应用。4结语固态钠电池作为高安全、低成本储能器件，正受到人们广泛关注。但是，在电池固态化进程中，固态电解质与固体电极材料之间的界面问题，包括界面相容性和界面接触等，严重阻碍其实际应用。本文综述了无机固态电解质在固态钠电池中的研究进展，包括β-Al2O3、NASICON氧化物固态电解质，硫化物固态电解质，以及新型反钙钛矿和复合氢化物电解质。图6为氧化物和硫化物基固态钠电池中电池性能优化的主要策略。氧化物固态电解质较硬，晶界阻抗较大，与固态电极材料接触易产生较大界面阻抗，通过设计电解质多孔结构，或在正负极/电解质界面处添加聚合物或离子液体等，可以增加电解质与电极材料紧密接触，减小界面阻抗，提升电池循环稳定性；负极侧则可添加亲钠层，增加电解质与金属钠亲和性，减小界面阻抗，促进钠负极均匀沉积。硫化物电解质较软，具有一定的可变形性，通常采用液相法对正极材料进行电解质包覆，增加活性物质与固态电解质接触面积；其次，将材料纳米化增加活性物质与电解质均匀混合，以及设计与硫化物相容性较好的正极材料，也可有效改善固态电池性能；负极方面，由于硫化物电解质的电化学不稳定性，通常与Na-Sn合金匹配或在金属钠/电解质界面引入稳定保护层，以防止电解质在电池运行中产生分解。新型钠离子固态电解质虽然均具有较大潜能，但各自缺陷也比较明显，在固态钠电池方面的应用还需要未来进一步探索。参考文献[1]ZHAOQ,STALINS,ZHAOCZ,etal.Designingsolid-stateelectrolytesforsafe,energy-densebatteries[J].Natu
(g)～(i)所示，采用致密层与多孔层复合的β-Al2O3双层电解质，应用到Na-NiCl2电池中，熔融态的钠渗透至多孔层，增加负极与电解质有效接触面积，提升电池循环性能[31]。对β-Al2O3精细抛光后再进行热处理，则可以消除表面氢氧根基团和碳基污染物，极大地改善β-Al2O3与Na负极的界面接触[32]。1.2基于NASICON型固态电解质的固态钠电池NASICON是钠超离子导体的简称，最典型的分子式为Na3Zr2Si2PO12(NZSP)，被认为是最具潜力图2(a)正极用离子液体(IL)修饰的Na|SEs|NVP-IL固态电池的示意图和(b)相应的固态电池在10C的倍率下循环10000圈的长循环性能；(c)用两种不同的方法制备的电极的微观结构示意图；(d)和(e)分别为NVP-NZSP-Na固态电池在25℃下的倍率性能和循环性能；(f)基于0.1Ca-NZSP固态电解质构筑三维的金属钠负极的全固态电池示意图及(g)该电池在不同电流密度下的循环性能Fig.2(a)schematicrepresentationoftheNVP/IL/SE/Nasolid-statebatteriesand(b)cyclingperformanceoftheNa|SEs|NVP-ILsolid-statebatteryatroomtemperaturewithacurrentrateof10Cfor10000cycles[39];(c)schematicsoftypicalelectrodemicrostructurebytwodifferentprocessingroutes;(d)performanceofacelloperatingwithdifferentcurrentdensitiesand(e)dischargecapacityandCoulombicefficiencyforeachcycleofNVP-NZSP-Nacellsoperatingat25°C[42];(f)SchematicofthefullSSSBwith3Dsodiummetalanodebasedontrilayer0.1Ca-NZSPelectrolyteand(g)thecyclingproflieofthesolid-statebatteryatdifferentcurrentdensities
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]无机钠离子电池固体电解质研究进展[J]. 徐来强,李佳阳,刘城,邹国强,侯红帅,纪效波. 物理化学学报. 2020(05)
[3]NASICON-structured Na3.1Zr1.95Mg0.05Si2PO12 solid electrolyte for solid-state sodium batteries[J]. Jing Yang,Hong-Li Wan,Zhi-Hua Zhang,Gao-Zhan Liu,Xiao-Xiong Xu,Yong-Sheng Hu,Xia-Yin Yao. Rare Metals. 2018(06)
[4]钠离子固体电解质材料研究进展[J]. 刘丽露,戚兴国,邵元骏,潘都,白莹,胡勇胜,李泓,陈立泉. 储能科学与技术. 2017(05)
本文编号：3374023
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