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AFM:联苯钠作为钠-海水电池的负极液

AFM:联苯钠作为钠-海水电池的负极液 科学材料站
2020-04-28
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导读:​本文研究了联苯钠(Na BP)作为钠-海水电池(Na-SWB)负极液的应用。研究发现Na-BP负极液的显著电子和离子导电性使得钠在充电时沉积的过电位较低,从而允许在整个Na-SWB中以高容量保持80

Version of record online: 24 April 2020

Helmholtz Institute Ulm


导 读

钠基电池由于其资源丰富,近年来备受关注。在各种负极材料中,金属钠有较高的理论容量,并且与标准氢电极相比,其氧化还原电位非常低。然而,金属钠对常用电解质的高反应性导致严重的副反应,可能导致电池短路。

本文研究了联苯钠(Na BP)作为钠-海水电池(Na-SWB)负极液的应用。研究发现Na-BP负极液的显著电子和离子导电性使得钠在充电时沉积的过电位较低,从而允许在整个Na-SWB中以高容量保持80个循环。并通过在金属负极上形成均匀的表面层来抑制气体的析出和枝晶的生长。


背景简介


1.   研究钠基电池的必要性

随着人们不断增长的对能源的需求,越来越多的化石燃料被燃烧利用,这最终导致了环境污染和灾难性气候的加剧,这一现象引起了人们的关注。因此,理想情况下应避免这些不可持续资源的能源供应,并利用太阳能和风能等可再生能源。
然而,由于后者的高度间歇性,因此有效的储能技术对于成功过渡到可持续的未来至关重要。其中,电和电化学储能系统是最有效的,而后者,即电池,同时提供合适的能量密度和可忽略的自放电。
在这方面,钠基电池技术是非常有吸引力的替代方法,特别是在采用高度丰富的含钠负极材料(例如海水)时,也称为海水电池(SWB)。与过去研究过的海水电池不同,引入的系统是二次电池,它可以充电,使用寿命长且工作电压高。在这种配置中,如果在“开放式系统”中确保连续不断的海水流动,则正极可提供基本上无限量的钠。


2.   联苯钠的优异表现

然而这些电池的容量受负极的钠存储容量的限制。由于金属钠低的氧化还原电位,因此提供了高能量密和高理论容量。然而,Na金属电极的充电和放电时的高反应性和大的体积变化导致形成相当不稳定的固体电解质界面(SEI)。这伴随着电解质的持续消耗和气态分解产物的释放。
此外,根据最近的一项研究,固体电解质相对于液体电解质的较高电导率会导致较低的过电势,并且在循环期间异质性附近的电势波动严重,从而导致更大的树枝状金属形成驱动力。气态产物的形成和枝晶生长的严重风险对采用金属钠的SWB的商业化提出了严峻挑战。
在这项工作中,表明联苯作为负极电解液的使用可以自动解决钠金属负极的问题。该化合物已经作为钠离子电池的预沉淀剂和液体负极材料进行了研究,同时提供了合适的电子和离子导电性。Na-BP的确有望减少负极电解液Na的过电势。

1. 联苯钠使用示意图。


文章介绍

近日,Seok Ju Kang, Youngsik Kim,and Stefano Passerini等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials (2018 影响因子:15.62)上发表题为“Sodium Biphenyl as Anolyte for Sodium–Seawater Batteries”的研究性论文。本文第一作者是Yongil Kim
在该研究中,作者利用这些优势特性和带有NASICON(Na3Zr2Si2PO12)固体电解质层的SWB的多层电解质设计,通过将Na-BP用作钠金属负极的负极电解液来物理隔离负极和正极电池室。由于其高可逆性和低氧化还原电势(相对于Na / Na +),Na-BP可以充当氧化还原介体,从而抑制了钠金属负极上的电解质分解。这样,Na-BP负极电解液同时有助于可逆的钠负离子存储,并能够进行均匀的,低电位的钠金属沉积。结果,引入低成本联苯(与液体电解质的普通盐相比)可以抑制电解质的连续分解并减轻钠树枝状晶体的生长。

图2. 电化学性能

a)Schematic illustration of the cell setup for the electrochemical characterization of Na-BP as liquid active material in half-cell configuration with a sodium metal counter electrode and a layer of NASICON as solid electrolyte to physically separate the two electrodes.

b) Plot of the differential capacity (dQ/dV) as a function of the cell voltage when applying a current density of 0.25 mA cm−2.

c) Dis-/charge profiles for the 1st and 2nd cycle when subjecting such half-cells to a current density of 0.5 mA cm−2 (cut-off potentials: 0.0 and 1.0 V vs Na/Na+) and

d) the plot of the specific capacity versus cycle number for 80 cycles


图3. 电池循环性能

a) Schematic illustration of the cell setup for seawater-battery full-cells employing the Na-BP solution as anolyte and seawater as catholyte. The electrodes are physically separated by a NASICON solid electrolyte layer and nickel foam and carbon felt are serving as current collector for the anode and cathode, respectively.

b) Dis-/charge profiles of the initial discharge (in black) as well as the 1st (in red) and 2nd (in green) galvanostatic cycle, applying a current density of 0.5 mA cm−2.

c) Plot of the specific capacity for the anode based on the total weight of the Na-BP solution versus the cycle number for the continuous galvanostatic cycling

图4. 原位DEMS分析

a) Schematic illustration of the cell setup for the DEMS analysis.

b,c) The corresponding voltage profiles for the Na-BP and NaOTF comprising cells, respectively. d,e) The gas evolution occurring for the Na-BP and NaOTF containing cells, 

图5.电极形貌与循环

a) the Na-BP-based anolyte or

b) 1 m NaOTF in TEGDME as electrolyte (current density: 0.25 mA cm−2; plating time: 6 h) with photographs of the corresponding electrodes as inset.

c) Sodium stripping/plating experiments for symmetric Na|anolyte /electrolyte| NASICON|anolyte /electrolyte |Na cells employing either Na-BP in DEGDME (in black) or 1 m NaOTF in TEGDME (in red) at a current density of 1 mA cm−2 with a stripped/plated capacity of 0.5 mAh cm−2 for each step. d,e) Magnification of the

(d) initial and

(e) following stripping/plating cycles upon the first 30 h of the experiment


文章链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202001249


老师简介

Kim, Young-Sik,韩国人,现就职于韩国科技信息部门高级研究员,博士,韩国海洋大学退休教授,主要从事金属焊接专业,研究领域包括:新材料的新焊接技术,堆焊过程的表面提高技术。Kim, Yun-Hae,教授(博士学位),韩国国籍,就职于韩国海洋国立大学航海设备工程学院,专门从事焊接,复合材料,新材料的研究,其研究领域包括三个方面:一、有利于环境发展的技术;二、在复合结构中新的制造方法的发展;三、复合材料在航海设备中的应用。

 

Stefano Passerini目前是赫尔姆霍兹研究所乌尔姆,卡尔斯鲁厄理工学院的主任。从事电化学和材料化学研究。他们目前的项目包括进一步开发锂离子电池、锂金属固态电池和后锂化学,如钠、钾、镁、钙和锌。担任Journal of Power Sources主编。


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