大邱庆北科学技术院 | 韩国大邱庆北科学技术院ESM:全固态钠电池有机电解质,安全性能好、常温可操作!
目前,锂离子电池(LIBs)被广泛应用于移动设备、电动汽车和储能系统中。然而,人们越来越担心,在一个可持续电气化的社会中,锂源的可用性有限。由于钠电池的天然丰度和合适的氧化还原电位(−2.71V),钠电池已被研究为锂电池的很有前途的替代品。然而,钠电池比锂电池更容易受到安全风险,因为钠电池和钠化阳极对含有易燃的烷基碳酸盐或醚的传统电解质具有更高的反应性。因此,迫切需要开发安全、电化学稳定、不可燃的钠电解质。在这方面,人们广泛致力于钠导电固态电解质(SSEs)的开发,包括氧化物/硫化物、聚合物和陶瓷/聚合物复合电解质。而聚合物电解质的离子电导率较低,硫化物电解质虽然离子电导率较高,但其电化学稳定性不足。此外,氧化物电解质很难形成亲密的电极-电解质接触,这是保证界面电荷易传输的必要条件。在这种情况下,晶体有机电解质(COE)是一个很有前途的选择,因为它的独特的优点,如高氧化稳定性,良好的离子电导率,和简单的合成。重要的是,COEs由于其中等的熔点(50−100°C),适合用于熔体铸造过程。熔融的COE可以很容易地穿透复合电极的孔隙结构,然后在冷却到环境温度后重新凝固,确保与复合电极的紧密接触。
全固态钠电池具有安全风险小、能量密度高等优点,是后锂电池时代的电池发展方向。然而,目前的固体电解质存在低离子导电性、较差的电化学稳定性以及与多孔电极的接触不足等问题。为了克服这些问题,韩国大邱庆北科学技术院Hochun Lee报道了设计了一种由二甲基砜(DMS)和双(氟磺酰亚胺)钠(NaFSI)组成的砜基结晶有机电解质(SCOEs)。该成果以“A crystalline organic electrolyte for safe, room-temperature operable all-solid-state sodium batteries”为题在《Energy Storage Materials》上发表。
由于全固态钠电池能够降低的安全风险且具有高能量密度,是很有前途的后锂电池。然而,固态电解质的离子电导率、电化学稳定性和与多孔电极的接触能力不足。为了克服这些问题,本研究提出了由二甲基砜(DMS)和双钠(氟磺酰)酰亚胺(NaFSI)组成的砜基晶体有机电解质(SCOEs)。这种特殊的SCOE在25°C下具有较高的离子电导率(7.0×10−4 S cm−1)和良好的氧化稳定性(>5.5 V)。重要的是,SCOE显示了一个最佳的熔点(66°C),使其能够通过熔体铸造过程与多孔复合电极密切接触。使用这种SCOE的Na||Na3V2(PO4)3电池比使用传统碳酸盐电解质的电池显示出更好的循环性(在25 ℃下进行200次循环后,容量保留率为91.1%)。此外,与碳酸盐电解质不同,SCOE的可燃性可以忽略不计,因此有望作为一种安全、室温可操作的全固态钠电池的电解质。
综上所述,本文在全固态钠电池中采用了由NaFSI和DMS组成的新型SCOEs。通过NaFSI和DMS的熔融冷却共结晶,可以制备出一种特殊的SCOE(2N8D),其表现出更高的电解质安全性、优异的氧化稳定性和高离子电导率(7.0×10−4 S cm−1,25°C)。此外,SCOEs的熔铸性可以解决使用SSEs时遇到的长期接触问题。采用SCOEs的Na||NVP电池表现出良好的库仑效率(> 99.5%)和容量保留率(200次循环后保留率为91.1%),优于传统的碳酸盐电解质。由于这些强大的优势,SCOEs可以用于制造实用、安全、室温可操作的全固态钠电池。
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