钠固体电解质兼具高电导率和电化学稳定性

2021-07-09 17:17:38
导读 丰桥工业大学电气与电子信息工程系的一个研究小组开发了一种氯 (Cl) 取代的 Na 3 SbS 4固体电解质,用于全固态钠 (Na) 离子电池。

丰桥工业大学电气与电子信息工程系的一个研究小组开发了一种氯 (Cl) 取代的 Na 3 SbS 4固体电解质,用于全固态钠 (Na) 离子电池。与没有Cl取代的样品相比,其中硫(S)被Cl部分取代的Na 3 SbS 4固体电解质的离子电导率提高了三倍。该团队还证明了 Cl 取代的 Na 3 SbS 4 具有晶体结构框架,使钠离子在三个维度上更容易移动,他们发现 Cl 取代对钠金属阳极显示出优异的稳定性。

由于对大规模储能需求的增加,对使用低成本和丰富的钠资源的全固态钠(Na)离子电池的研究正在加速。为了在实际应用中使用全固态钠离子电池,必须开发一种在室温下具有高离子电导率的固体电解质。在各种Na固体电解质中,Na 3 SbS 4固体电解质的电导率高达1 mS cm -1或更高的室温,因此在世界范围内得到广泛研究。然而,为了实现高电导率,需要通过球磨进行后处理,而通过更简单的合成过程实现高离子电导率一直是一个明显的问题。

因此,课题组采用适合量产的液相合成方法,开发了一种Cl取代的Na 3 SbS 4固体电解质。通过以Na部分取代小号3周的SbS 4被Cl固体电解质,它们在增加的离子电导率室温通过三次(0.9毫秒厘米-1相比没有取代的样品)(0.3毫秒厘米-1)。此外,他们将离子传导途径可视化,以阐明由于 Cl 取代而发生的结构变化对传导特性的影响。结果,他们证明在 Na 3 SbS 4中部分取代 S与 Cl 导致 Na 离子与 S(或 Cl)松散的局部键合,形成晶体结构框架,Na 和 S(或 Cl)之间具有弱静电相互作用,并促进离子扩散,特别是沿晶体学 c 轴扩散。Cl取代引起的离子电导率增加是由于形成了具有三维离子扩散路径的晶体结构。

此外,该团队发现,与没有 Cl 取代的样品相比,Cl 取代的 Na 3 SbS 4固体电解质对 Na 金属阳极显示出优异的稳定性。他们证明,电化学稳定性的这种改进与阳极和固体电解质之间界面电阻的降低有关,并且重氯掺杂可有效提高阳极的稳定性。

研究团队发现了开发具有理想特性(例如高离子电导率和优异的电化学稳定性)的理想固体电解质的重要设计原则。他们认为,这项研究的固体电解质可以与液相涂层技术相结合,为全固态钠离子电池实现高存储容量和稳定循环。

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