台大刘如熹教授团队Nano Energy：基于无机固态电解质的全固态钠二氧化碳电池- 大数跨境

首页

台大刘如熹教授团队Nano Energy：基于无机固态电解质的全固态钠二氧化碳电池

科学材料站

2021-03-22

导读：文章指出，基于无机固态电解质的金属空气电池受到阴极界面离子传递不顺畅的限制难以实现充放电。

文章信息

基于无机固态电解质的全固态钠二氧化碳电池

第一作者：仝梓正, 王恕柏

通讯作者：刘如熹*，尹利长*，胡淑芬*

单位：台湾大学，中国科学院金属研究所，台湾师范大学，中国制釉

研究背景

钠二氧化碳电池利用二氧化碳为阴极气体进行循环充放电。而火星大气层中96%为二氧化碳气体。故此，钠二氧化碳电池成为人类探索火星的得力助手。然而金属空气电池普遍存在电解液挥发的问题。利用固态电解质替换电解液可有效解决金属空气电池存在的电解液挥发问题。

然而，目前固态钠二氧化碳电池多使用聚合物固态电解质。聚合物具有柔性可塑等优点，但热稳定性和机械强度不如无机固态电解质。故此，基于无机固态电解质的钠二氧化碳电池成为研究的重点。

文章简介

近日，来自台湾大学的刘如熹教授、中国科学院金属研究所的尹利长研究员与台湾师范大学的胡淑芬教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Na–CO2 battery with NASICON-structured solid-state electrolyte”的文章。

文章指出，基于无机固态电解质的金属空气电池受到阴极界面离子传递不顺畅的限制难以实现充放电。故此构建提升界面离子传递能力的阴极界面层成为固态金属空气电池性能提升的关键。

图1. 利用丁二腈（SN）构建阴极界面层降低界面阻抗。

本文要点

要点一：阴极界面层的构建

塑化晶体电解质（plastic crystal electrolyte）丁二腈60°C下融化为液态，室温下变为固态。利用丁二腈室温固化的特性，在Ru/CNT阴极上原位构建一层提升离子传递的阴极界面层。丁二腈的化学和电化学稳定性有助于延长固态电池的循环寿命。

此外，由纳米钌金属颗粒和多壁碳纳米管构成的阴极材料具有良好的催化活性，可提升电池的最大放电容量并降低过电位。

要点二：固态电解质阳极界面的稳定性

文章利用理论计算结合实验揭示了Na3Zr2Si2PO12与钠金属之界面层为动力学稳定界面层。固态电解质中的Zr4+在电化学循环中没有被大量还原为Zr金属，而PO43-与SiO44-四面体发生了扭曲。表明界面层中包含新的磷酸盐和硅酸盐，但没有高电子电导率的金属。

故此，这一界面不可能是混合导体型界面（mixed conductive interphase）。此外通过阻抗谱可以发现钠金属对称电池的阻抗没有无限上涨，表明界面为动力学稳定界面。

要点三：电化学性能

文章报道的固态钠二氧化碳电池可实现室温充放电。在100 mA g-1的电流密度下电池可循环50个周期。在50 mA g-1的电流密度下电池的循环寿命超过70个周期。在电池终止后发现钠金属阳极完全粉化。

通过X射线衍射确认钠金属完全转换为NaHCO3，这是由于CO2气体穿透到阳极直接与Na金属反应导致的。未来可设计阳极保护层，避免钠金属被CO2气体侵蚀，进一步提升电池的循环性能。

文章链接

Na–CO2 Battery with NASICON-Structured Solid-State Electrolyte”

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521002305

通讯作者介绍

台湾大学化学系教授，其专长主要为以材料化学核心技术为基础，发展具可应用于光转换为光、电与热之新材料，其将分别应用于光电、能源与生医。

其于1981年6月毕业于东吴大学化学系(学士)，1983年6月毕业于清华大学原子科学研究所(硕士)，1990年6月毕业于清华大学化学系(博士)。1992年6月毕业于英国剑桥大学化学系暨高温超导中心(博士)。其1983年硕士毕业后即进入工业技术研究院工业材料研究所服务至1995年，期间担任副研究员、研究员、正研究员及主任。1995年8月~1999年7月任台湾大学化学系副教授，于1999年8月~2016年6月任台湾大学化学系教授。2016年7月任台湾大学化学系特聘教授至今。

1989年获台湾青年奖章及工研院科技成果个人贡献奖，1995年获台湾第四届发明银牌个人奖， 1998年获杰出青年化学奖章， 2011年获第九届有庠科技奖(科技论文绿色科技类) ， 2013与2018年分别获科技部杰出研究奖。2015年获国际IUPAC & NMS于新颖材料与合成之杰出研究奖。2017年获中山学术论文奖。2018年、2019年与2020年被科睿唯安(Clarivate Analytics)获选为跨领域全球高被引学者（Highly Cited Researchers）。2018年获「侯金堆杰出荣誉奖」(基础科学：数理)。2019年获「有庠科技讲座」(绿色科技)及东元奖(化工/材料科技领域)。2020年获教育部学术奖与化学会学术奖章。至今论文发表于已发表580篇英文论文于国际期刊，被引用总次数达21,453次，h-index为75。获得专利200余件。