研究进展
南开大学陈军院士团队JACS: 钠电超快动力学中正极-电解液界面电荷转移的消除
发稿人：
来源：功能材料与能源化学创新团队
时间：2024-10-30
钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富且易于获取而成为商业锂离子电池（LIBs）大规模储能的理想替代品。由于Na+离子与溶剂之间的结合力较弱以及Na+离子的斯托克斯半径小于Li+ 离子，电解质具有更高的离子电导率，因此 SIBs的动力学性能有望超过 LIBs。然而，普遍SIBs在快速充电和低温操作（低于-20°C）期间仍然遭受快速能量损失，限制了其在恶劣环境中的实际生存能力，特别是在高海拔和寒冷地区。这种不理想的性能主要是由于电极-电解液界面上缓慢的电荷转移导致，这必须克服液体电解液中Na+离子去溶剂化的高激活势垒以及随后穿过正极-电解液界面（EEI）层的迁移。
内容简介
本工作提出了一种新颖的策略，通过构建类似神经元的电极来模拟神经系统中的快速信号传输。团队通过将碳纳米管（CNTs）的开口与碳包覆的Na3V2O2(PO4)2F（NVOPF）正极纳米粒子表面连接，利用CNTs在充电过程中捕获从正极粒子释放的Na+，从而将Na+的移动限制在类似神经元的正极内部，消除了传统电池中电解液和正极之间的离子传输。这种设计显著降低了界面电荷转移电阻，实现了高达200C的卓越快速充电性能和出色的循环稳定性，并且能够在低至-60℃的低温下可逆运行，所有这些性能表现均未使用任何电解液改性。这一方法打破了电池操作依赖于正极-电解液界面电荷转移的传统模式，为开发在恶劣条件下运行的高性能电池开辟了新途径。本文以“Eliminating Charge Transfer at Cathode-Electrolyte Interface for Ultrafast Kinetics in Na-Ion Batteries”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》期刊，第一作者是Huang Xue，通讯作者为陈军、章炜、赵建庆、高立军。
主要内容
图1：在钠离子电池中消除正极-电解液界面的电荷转移的生物启发设计。(a) 钠离子在液态电解液和固态正极之间的界面传输。白色实线显示了离子传输穿过液-固界面的高能垒。(b) 传统电池中正极和负极之间的钠离子穿梭。在充电(i)和放电(ii)期间，Na+离子必须穿过正极-电解液界面。(c) 含有类似神经元正极的生物启发电池的示意图。离子传输仅发生在负极和电解液之间。(d) 类神经元正极的放大视图，显示充电过程中Na+离子被限制在正极内部。正极粒子、非晶碳(AC)和碳纳米管(CNT)分别类似于神经元中的细胞体、细胞膜和轴突。(e) 生物启发电池中Na+离子传输的详细过程。离子传输限制源于Na+离子从正极粒子快速扩散到CNTs(从i到ii)，CNTs随后在充电过程中捕获从粒子释放的Na+离子(iii)。AC层促进了Na+离子从粒子表面迁移到CNTs。放电期间，Na+离子直接从CNTs返回到粒子(从iii到iv)，从而消除了传统电池中正极-电解液界面处的缓慢电荷转移。
本工作提出了一种新颖的策略，通过构建类似神经元的电极来模拟神经系统中的快速信号传输。团队通过将碳纳米管（CNTs）的开口与碳包覆的Na3V2O2(PO4)2F（NVOPF）正极纳米粒子表面连接，利用CNTs在充电过程中捕获从正极粒子释放的Na+，从而将Na+的移动限制在类似神经元的正极内部，消除了传统电池中电解液和正极之间的离子传输。这种设计显著降低了界面电荷转移电阻，实现了高达200C的卓越快速充电性能和出色的循环稳定性，并且能够在低至-60℃的低温下可逆运行，所有这些性能表现均未使用任何电解液改性。这一方法打破了电池操作依赖于正极-电解液界面电荷转移的传统模式，为开发在恶劣条件下运行的高性能电池开辟了新途径。本文以“Eliminating Charge Transfer at Cathode-Electrolyte Interface for Ultrafast Kinetics in Na-Ion Batteries”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》期刊，第一作者是Huang Xue，通讯作者为陈军、章炜、赵建庆、高立军。
主要内容
图1：在钠离子电池中消除正极-电解液界面的电荷转移的生物启发设计。(a) 钠离子在液态电解液和固态正极之间的界面传输。白色实线显示了离子传输穿过液-固界面的高能垒。(b) 传统电池中正极和负极之间的钠离子穿梭。在充电(i)和放电(ii)期间，Na+离子必须穿过正极-电解液界面。(c) 含有类似神经元正极的生物启发电池的示意图。离子传输仅发生在负极和电解液之间。(d) 类神经元正极的放大视图，显示充电过程中Na+离子被限制在正极内部。正极粒子、非晶碳(AC)和碳纳米管(CNT)分别类似于神经元中的细胞体、细胞膜和轴突。(e) 生物启发电池中Na+离子传输的详细过程。离子传输限制源于Na+离子从正极粒子快速扩散到CNTs(从i到ii)，CNTs随后在充电过程中捕获从粒子释放的Na+离子(iii)。AC层促进了Na+离子从粒子表面迁移到CNTs。放电期间，Na+离子直接从CNTs返回到粒子(从iii到iv)，从而消除了传统电池中正极-电解液界面处的缓慢电荷转移。