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休斯顿大学:室温形成电化学稳定的氧硫化物电解质助力全固态钠电池!

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2022-05-26

点击:4893

全固态钠电池(ASSSBs)是电网规模储能有希望的候选者。然而,目前还没有商业化的ASSSBs,部分原因是缺乏对金属钠具有电化学稳定性的低成本且易于制备的固态电解质(SE)。


鉴于此,休斯顿大学姚彦教授、爱荷华州立大学Steve W. Martin教授报道了一类具有硫化物和氧化物SEs优势的新型氧硫化物玻璃SEs(Na3PS4−xOx,其中0 < x ≤ 0.60),它们不仅在所有钠离子导体硫化物SEs中表现出最高的临界电流密度,而且还可实现高性能常温钠硫电池。通过形成桥氧(BO)单元,Na3PS4−xOx SEs在室温下经历压力诱导烧结,从而形成具有坚固机械性能的完全均匀玻璃结构。此外,Na|SE界面处的自钝化固体电解质界面对于界面稳定和可逆的Na沉积和剥离至关重要。总之,这里介绍的新结构和组成设计策略为开发安全、低成本、能量密集和长寿命的ASSSBs提供了新的范例。



文章亮点:

1. 由于形成更高浓度的具有BO特性的氧化物和氧硫化物单元,氧掺杂的硫化物SE比纯硫化物SE具有更坚固和更致密的玻璃网络。

2. 在添加氧提高玻璃质SE的机械强度的同时,它还导致这些氧硫化物SE在环境温度下展示了压力诱导的玻璃质粉末起始材料的均匀性,从而形成了均匀的玻璃微结构。由于可成形性大大提高,氧硫化物SE表现出更高的机械强度和降低的电子电导率。

3. 通过自钝化SEI的形成,电池表现出与金属钠的优异电化学稳定性。因此,包含Na3PS3.4O0.6|Na3PS3.85O0.15 |Na3PS3.4O0.6的均质三层复合SE可以实现高达2.3 mA cm-2的临界电流密度(CCD),这是钠离子硫化物SEs的最高CCD值,并在0.2 mA cm−2 稳定循环长达500 h。

4. 基于复合氧硫化物双层SE的Na-S全电池在迄今为止的固态Na-S体系中表现出最高的比能量。


图1 固态电解质-钠金属界面的分类

图2 无定形Na3PS4−xOx (x =0、0.15、0.30和0.60)SE的结构表征


图3 Na3PS4−xOx玻璃SE(x =0和0.60)和HT-Na3PS4玻璃陶瓷SE的机械性能


图4 Na3PS4−xOx ( x=0, 0.15, 0.30和0.60) SEs在60 °C下对金属钠的化学稳定性


图5 玻璃态氧硫化物SE的电化学性质


图6 在60 °C下测试的全固态Na-S全电池


封面图源自于图虫创意


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