动力女神孟颖讲授, 重磅Nature Energy!

无负极电板具有分量轻、体积小和资本低的优点，成为最好的电板结构。干系词，不隆重的负极面貌变化和负极-液体电解质界面反映狂放了它们的利用。

效能简介

在此，好意思国加州大学圣地亚哥分校孟颖（Ying Shirley Meng）讲授和Jihyun Jang讲授等东谈主展示了电化学隆重的固体电解质和堆栈压力的利用，不错通过千里积紧密的金属钠来责罚这些问题。同期，作家还发现铝集流体能与固体电解质罢了紧密的固-固斗争，从而罢了高面积容量和高电流密度下的高度可逆钠千里积和剥离，这在曩昔的传统铝箔上是无法罢了的。因此，演示的无钠负极全固态全电板大致隆重轮回数百次。这种电板结构为其他电板化学的改日发展标的，以此罢了低资本、高能量密度和快充电板。 干系著作以“Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery”为题发表在Nature Energy上。

本色上，早在2017年，Ying Shirley Meng和配合者便共同创立了一家专注于全固态电板工夫的初创公司 UNIGRID Battery。

图文导读

频年来，大领域电网利用对电动汽车和储能建造的需求不休增长。电板关于罢了这些工夫至关伏击，尽管自1990年推出第一个商用锂离子电板以来，电板照旧有了很大的转换，但需要进一步增强以罢了更高的能量密度和更低资本的储能系统。有计划深化，钠基材料比锂要低廉得多，而且使用领域更广。自然钠电板往往被觉得罢休了能量密度以提拔较低的资本，但由于钠材料与锂电板比较的自然上风，低资本钠电板仍可能达到与面前锂系统越过的高能量密度。

为了与锂离子电板所领有的高能量密度竞争，钠电板结构需要发生越过大的变化。最近流行的一个思法是使用无负极电板贪图。与传统电板不同，无负极电板是指不使用负极活性材料的电板，而是依靠碱金属奏凯电化学千里积到集流体名义（图1）。这罢了了尽可能低的复原电位，从而罢了了更高的电板电压，裁汰了电板资本，何况由于去除了负极活性材料而提升了能量密度（图1a）。

图1：无负极旨趣图和能量密度筹画。

本色上，无负极钠固态电板的利用必须同意四个条款。领先，需要电化学隆重或高度钝化的电解质，以幸免由于SEI层的造成而蹧跶活性钠。其次，固体电解质和集流体之间需纷乱密而牢固的固-固界面斗争，以便反复钠千里积/剥离。第三，需要一种紧密的固态电解质隔阂。第四，集流体需要高密度。而多孔集流体已被诠释在液体电解质电板中是有用，它们具有更高的名义积和更低的局部电流密度，但这些集流体弗成用于固态电板。

电化学隆重的电解质贪图

使用常用的Na3PS4（NPS）固态电解质与铝集流体和Na9Sn4对电极配对拼装了一个无负极半电板，其初次库伦效能（ICE）为4%，这是由于NPS在低电位时复原造成了Na3P，而Na3P是一种已知的搀杂导体，从而导致SEI执续增长和钠库存的不可逆蹧跶。为了责罚电化学不隆重性问题，本文使用了硼氢化钠固态电解质（Na4B10H10B12H12（NBH））看成远离膜，NBH先前已被诠释对金属钠具有电化学隆重性。钠再次被电化学千里积到铝箔上，然后被剥离，终局ICE高达64%（图2a），这说明在无负极电板中使用电化学隆重的固态电解质的伏击性。干系词，使用NBH时的效能仍然低得令东谈主无法继承；因此，无负极结构的其他方面也需要转换。

图2：铝颗粒与铝箔的比较。

愈加紧密的界面斗争

迄今为止，金属箔是电板中最常用的集流体，但唯有一小块金属箔千里积了钠（图2a），且经X射线衍射（XRD）证据为金属钠，标明固态电解质和铝箔集流体之间莫得充分的固-固斗争，钠只可千里积在固态电解质中，参加的钠和集流体中电子之间有贯穿的场地。剥离后，仍可在铝箔上不雅察到钠，这便是ICE相对较低的原因（图2a）。这可能是由于固态电解质、金属钠和铝箔集流体之间的界面斗争不良，导致钠的剥离不皆备，从而说明了传统铝箔不合适亲密界面斗争的要求，导致可逆性差。 当电板在千里积后和一次完整轮回后拆卸时，发现集流体名义的金属钠分歧的均匀性大大改善，即使千里积上1 mAh cm-2后，表面上越过于8.8 μm的Na金属层，千里积物照旧均匀分歧。与传统铝箔比较，铝粉能在整个这个词电板区域与固态电解质造成更均匀、更亲密的斗争。电化学阻抗光谱进一步诠释了这小数，使用铝颗粒集流体时，界面阻抗更低（图2d）。同期，通过在电板制造历程中在集流体和固体电解质层之间插入压敏纸，还发现铝粒能将施加的堆叠压力均匀地分歧到电板的整个这个词区域（图2e）。在电板中电千里积软金属钠时，重叠压力（本有计划使用的重叠压力为10 MPa）远高于钠的屈服强度（约0.2 MPa），这可能也有助于使软金属钠均匀分歧。

图3：NBH面貌评价。紧密的固态电解质

无负极电板依赖于集流体与固体电解质之间的界面性质。因此，在评估这类电板结构时，固体电解质的特质亦然必须接洽的要素。使用聚焦离子束铣扫描电子显微镜（FIB-SEM）评估了冷压造成隔阂层后NBH固态电解质的面貌（图3a-c）。NBH电解质的形状极为紧密，更伏击的是只不雅察到几个圆形的微米级名义气孔，标明压实效果精良无比，无需高温烧结（图 3b）。此外，有益在其中一个名义气孔的位置铣削了NBH的横截面，以查验气孔深入电解质层的进度。终局发现，这些孔的形状呈圆形，其深度不朝上~1 μm（图3c）。

图4：多样颗粒化集流体评价。

图5：颗粒化集流体形状的评价。

图6：电板堆叠压力和面积容量的影响。

图7：无负极钠全固态全电板轮回性能。

论断预测

要而论之，作家为了同意罢了无负极钠全固态电板的四个要求，发现了一种电化学性能隆重的硼氢化钠固态电解质，它能与铝集流体罢了近乎完整的斗争。面貌评估发现，硼氢化电解质可通过冷压获取近乎皆备紧密的结构，从而扼制钠枝晶的渗入，并能在电流密度朝上6 mA cm-2的情况下进行轮回。同期，作家还发现铝集流体的密度也很高，从而同意了上述四项要求。看成主张考据，以NaCrO2为正极的无负极钠全固态电板在10 MPa 重叠压力和40℃下轮回使用了400次，平均库仑效能达到99.96%，这项职责奋力于为钠电板和其他高能量密度电板化学的改日发展提供框架，并对影响其电化学性能的重要要素进行了描述。

文件信息

Grayson Deysher, Jin An Sam Oh, Yu-Ting Chen, Baharak Sayahpour, So-Yeon Ham, Diyi Cheng, Phillip Ridley, Ashley Cronk, Sharon Wan-Hsuan Lin, Kun Qian, Long Hoang Bao Nguyen, Jihyun Jang , Ying Shirley Meng, Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery, Nature Energy, https://doi.org/10.1038/s41560-024-01569-9