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呂力/王玉美Adv. Sci.：鐵電工程化界面實(shí)現(xiàn)高性能全固態(tài)鈉金屬電池

開發(fā)高容量、長(zhǎng)循環(huán)性和高性價(jià)比的固態(tài)鈉電池對(duì)電動(dòng)汽車和大型儲(chǔ)能系統(tǒng)具有吸引力。但固態(tài)電解質(zhì)-電極的差相容性和低離子傳導(dǎo)界面阻礙了固態(tài)鈉電池的發(fā)展。

新加坡國(guó)立大學(xué)重慶研究院呂力、王玉美等開發(fā)了一種基于鐵電效應(yīng)的創(chuàng)新方法，來(lái)改善全固態(tài)鈉金屬電池中的電解質(zhì)-電極相容性并降低正負(fù)極與復(fù)合聚合物電解質(zhì)的界面電阻。

圖1 全固態(tài)NVP|CPE|Na電池中空間電荷積累和SEI形成的示意圖

為增強(qiáng)聚合物基電解質(zhì)和電極之間的相容性，并促進(jìn)界面離子傳導(dǎo)，作者引入了一種鐵電體薄層（K_0.5Na_0.5NbO₃，KNN）來(lái)修飾全固態(tài)復(fù)合聚合物電解質(zhì)和電極之間的界面。研究顯示，精心設(shè)計(jì)和鐵電工程化的復(fù)合聚合物電解質(zhì)在室溫下表現(xiàn)出 7.9 × 10^-5 S cm^-1的高離子電導(dǎo)率。

此外，鐵電工程能夠有效抑制固體電解質(zhì)界面（SEI）在聚合物電解質(zhì)和金屬鈉電極之間的界面生長(zhǎng)，還可以增強(qiáng)離子在電解質(zhì)-鐵電-正負(fù)極界面的擴(kuò)散。

圖2 鐵電工程化CPE的電化學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)顯示，鐵電工程化全固態(tài)鈉金屬電池在室溫下循環(huán)165次后仍具有160.3 mAh g^–1的優(yōu)異放電容量和97.4%的保留率。此外，鐵電工程化電池也具有出色的穩(wěn)定性，即使在循環(huán)過程中暫停2個(gè)月，該工程化電池在180次完整充放電循環(huán)后仍能獲得86.0%的高放電容量保持率。

因此，開發(fā)高安全性、高容量和長(zhǎng)循環(huán)能力的固態(tài)鈉金屬電池是最先進(jìn)的。這種界面鐵電工程化策略可以作為一種通用方法來(lái)提高具有聚合物基電解質(zhì)的各種固態(tài)電池的循環(huán)性能和穩(wěn)定性。

圖3 全固態(tài)鈉金屬電池的電化學(xué)性能

Ferroelectric Engineered Electrode-Composite Polymer Electrolyte Interfaces for All-Solid-State Sodium Metal Battery. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202105849

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