Nature子刊：一類用于超長壽命的可充電電池的液態負極

【引言】

安全性和穩定性是目前電池在實際應用中所面臨的重大挑戰。以堿金屬為負極、使用有機液態電解質的電池循環穩定性差，在充放電的過程易形成枝晶造成電池內部短路。而對于使用固態電解質的全固態電池而言，堿金屬負極與固態電解質的界面電阻高，通常需要在較高的溫度（300–350 ^oC）下工作以降低界面電阻。用液態負極代替堿金屬固態負極時，可以提高電池的循環穩定性，避免充放電過程中枝晶結構的形成，降低全固態電池中負極與電解質的界面電阻，極大地提升電池的壽命。

【成果簡介】

近日，中科院物理所的胡勇勝研究員課題組研究發現，將堿金屬溶解在芳香烴和醚類的溶劑中，可得到可替代堿金屬負極的液態負極。例如，將金屬鈉溶解在聯苯和乙二醇二甲醚中得到的液態負極（Na-BP-DME），室溫下電導率高達1.2x10^-2 S cm^-1，且比Na的電極電勢低0.09 V。使用該類液態負極的電池的循環壽命得到了大幅提升，室溫下循環3500后容量仍未發生明顯衰減。該成果以“A class of liquid anode for rechargeable batteries with ultralong cycle life”為題發表在Nature Communications上。

圖1.Na-BP-DME溶液的物理性能

(a)不同濃度的Na-BP-DME溶液的照片

(b)不同濃度的Na-BP-DME溶液的電化學阻抗譜

(c)采用Na⁺離子阻斷電池測得的濃度為1 M的Na-BP-DME溶液的電化學阻抗譜

(d)Na-BP-DME液滴在Na-b”-Al₂O₃固態電解質上的潤濕行為

圖2. Na-BP-DME溶液的電化學性能

(a)Na-BP-DME|BASE|Na電池的開路電壓

(b)Na-BP-DME|BASE|Na-BP-DME對稱電池的循環性能

圖3.Na₂S₈|BASE|Na-BP-DME(1 M)電池的電化學性能

(a)Na₂S₈|BASE|Na-BP-DME電池在1.2-2.5V電壓范圍的恒流循環充放電曲線

(b)Na₂S₈|BASE|Na-BP-DME電池在1.2-2.5V電壓范圍和300 mA g^-1的電流密度下的循環穩定性

(c)Na₂S₈|BASE|Na-BP-DME電池在1.8-2.5V電壓范圍的恒流循環充放電曲線

(d)Na₂S₈|BASE|Na-BP-DME電池在1.8-2.5V電壓范圍和300 mA g^-1的電流密度下的循環性能

圖4.Na₂S₈|BASE|Na-BP-TEGDME(1 M)電池電化學性能

(a)Na₂S₈|BASE|Na-BP-TEGDME電池在1.8-2.5V電壓范圍的恒流循環充放電曲線

(b)Na₂S₈|BASE|Na-BP-TEGDME電池在1.8-2.5V電壓范圍和300 mA g^-1及440 mA g^-1的電流密度下的循環穩定性

(c)Na₂S₈|BASE|Na-BP-TEGDME電池在1.8-2.5V電壓范圍和不同的電流密度下的倍率性能

(d)Na₂S₈|BASE|Na-BP-TEGDME電池在1.8-2.5V電壓范圍和1100 mA g^-1的電流密度下的長循環穩定性

【總結】

文章展示了一類合成方法簡單的可替代堿金屬負極的液態負極以及其在可充電的鈉b-氧化鋁電池中的使用情況。實驗結果表明，該類液態負極與堿金屬負極相比存在以下優點：

（1）電導率高，較好的可逆性和穩定性，可潤濕固態電解質，無枝晶，安全性高；

（2）可通過改變堿金屬、芳香烴或醚的種類來適應不同電池的物理和電化學特性；

（3）可以使用硫正極以及其他高溶解性的正極；

（4）可以設計成柱狀/平板電池或者氧化還原液流電池。

文獻鏈接：A class of liquid anode for rechargeable batteries with ultralong cycle life(Nat. Commun., 2017, DOI：10.1038/ncomms14629)

本文由材料人新能源學術組姚振國供稿，背逆時光 編輯整理。

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