燕山大学:钠金属沉积/剥离动力学过程的原位观察


发布时间:

2022-11-07

基于钠金属负极的固态钠金属电池、钠硫电池、钠空气电池是潜在的能超越锂电池的能量存储科技,未来可能会应用于电动汽车和能量存储系统中。但是钠枝晶的不可控生长阻碍了钠电池系统的开发,钠枝晶以及相关的负极-电解质界面问题仍然模棱两可。

基于钠金属负极的固态钠金属电池、钠硫电池、钠空气电池是潜在的能超越锂电池的能量存储科技,未来可能会应用于电动汽车和能量存储系统中。但是钠枝晶的不可控生长阻碍了钠电池系统的开发,钠枝晶以及相关的负极-电解质界面问题仍然模棱两可。

燕山大学黄建宇老师课题组利用先进的原位环境透射电子显微镜技术方法,研究了钠沉积/剥离(Plating/stripping)过程,发现钠金属在早期沉积过程中生长成为一些多面体结构,{100}晶面族暴露在外。在钠的剥离(Stripping)过程中,Na沿着{110}晶面族层层剥离,在逐渐剥离到多面体的角的时候转向{112}晶面族。钠的沉积和剥离过程和锂金属的存在差异。DFT理论模拟显示钠的沉积和剥离遵循最小能量路径或者伍尔夫定律,钠沉积过程中的特殊形状是原子沉积速率和质量通量共同作用的结果。研究成果以“In situ imaging the dynamics of sodium metal deposition and stripping”为题目发表在《Journal of Materials Chemistry A》上,燕山大学黄建宇老师,张利强老师、唐永福老师,韩国韩国基础科学研究院的丁峰老师为论文共同通讯作者,耿林(1/2)和赵超(2/2)是该论文的共同第一作者。

原位链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TA/D2TA02513B  

1

图1 本项研究中利用泽攸科技(ZepTools)的PicoFemto®系列原位TEM-STM样品杆搭建了原位测试环境。 

1

图2 原位充放电

1

图3 原位充放电

1

图4 原位充放电

综上:控制电池中钠的沉积形貌,缓解钠枝晶的生长对钠金属电池来说是非常重要的,这项原位研究对电池研究有重要意义。实验中,钠是在二氧化碳气氛环境中生长出来的,钠多面体的表面有一层和钠离子电池中SEI非常相似的碳酸钠。研究人员发现,钠沉积过程中的形状是原子沉积速率和质量通量共同作用的结果,通过控制沉积电压和环境是有可能控制钠的沉积形状的,这对未来良好控制钠金属的沉积有启发性意义。

这是黄老师课题组近期原位钠枝晶生长研究的第二个工作,前面我们已经推送了钠枝晶生长中的电化学奥斯瓦尔德熟化机制的文章,详情请看前期文章。感谢耿林博士对公众号文章的审核!  

1

图5 文章中使用的原位样品杆