中國(guó)粉體網(wǎng)訊 自上世紀(jì)90年代初二次鋰離子電池得以商業(yè)化以來，基于鋰離子的二次電池技術(shù)受到了普遍的關(guān)注并且在便攜式電子產(chǎn)品中得到了廣泛的使用。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，鋰離子電池的需求持續(xù)增加。然而鋰是一種稀有金屬，其在地殼中的儲(chǔ)量?jī)H占0.002%左右，并且其分布不均勻等因素都將制約鋰離子電池的進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用。
與鋰相比，鈉具有資源豐、分布廣泛和成本低廉等特點(diǎn)，鈉離子電池近年來得到了大量的關(guān)注和廣泛的研究。基于近期的快速發(fā)展，鈉離子電池正極材料的研發(fā)已接近鋰離子電池的水平。鈉離子電池的實(shí)用化現(xiàn)如今主要在于缺乏較好的負(fù)極材料。
受近期鋰金屬負(fù)極開發(fā)的啟發(fā)，研究熱點(diǎn)開始移向了金屬鈉。作為負(fù)極材料，金屬鈉展現(xiàn)出最負(fù)的電勢(shì)（-2.714 V vs. 標(biāo)準(zhǔn)氫電極）和高達(dá)1165 mAh/g的理論容量，具有巨大的潛力。然而金屬類負(fù)極材料常常表現(xiàn)出較差的穩(wěn)定性和安全性，上世紀(jì)70年代開發(fā)的以鋰金屬為負(fù)極的二次電池事故頻發(fā)，難以得到市場(chǎng)的認(rèn)可。此類金屬負(fù)極的主要問題在于金屬-電解液界面上的離子分布不勻，固體電解液界質(zhì)膜的不穩(wěn)定，樹枝狀的枝晶生長(zhǎng)以及這些問題帶來的使用壽命和安全性的問題。
為解決鋰金屬負(fù)極的問題，已提出的電解液的改進(jìn)，隔膜的修飾，構(gòu)筑多維集流體以及構(gòu)建鋰金屬三維載體等方法取得了一定的進(jìn)展。但是，鈉金屬負(fù)極的研究還處于初級(jí)階段，得到穩(wěn)定的安全的鈉金屬負(fù)極既是實(shí)現(xiàn)高能量密度鈉金屬電池，包括鈉硫電池、鈉空電池的關(guān)鍵也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
近期，美國(guó)馬里蘭大學(xué)胡良兵教授課題組羅巍博士與Rubloff教授課題組林泉富博士合作利用原子層沉積技術(shù)對(duì)鈉金屬進(jìn)行表面包覆，顯著地提升了鈉金屬負(fù)極的性能。由于鈉金屬熔點(diǎn)較低（98 °C），林博士等人開發(fā)的等離子體增強(qiáng)原子層沉積系統(tǒng)在75 °C的條件下實(shí)現(xiàn)了在鈉金屬表面三氧化二鋁的可控沉積，避免了高溫下鈉金屬溶化的問題。此類表面三氧化二鋁的包覆有效地避免了鈉金屬表面與電解液的直接接觸，可起到人工固體電解液界質(zhì)膜的作用。
在隨后的鈉金屬//鈉金屬對(duì)稱電池的研究中，具有薄層三氧化二鋁（~3 nm）修飾的鈉金屬在電流密度為0.25 mA/cm2時(shí)可有效循環(huán)450 小時(shí)。相反，普通的鈉金屬在相同條件下循環(huán)250小時(shí)后出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，循環(huán)后的普通鈉金屬表面呈現(xiàn)出枝晶狀形貌，而具有薄層三氧化二鋁（~3 nm）修飾的鈉金屬表面依然平整，證明了表面的三氧化二鋁薄層有效地抑制了枝晶的生長(zhǎng)及電解液的分解與耗損。當(dāng)電流密度提高到0.5 mA/cm2時(shí)，具有三氧化二鋁修飾的鈉金屬可穩(wěn)定循環(huán)120小時(shí)，而普通的鈉金屬僅循環(huán)60小時(shí)后即不穩(wěn)定。通過匹配O3-Na0.9[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2類正極材料組裝全電池，該研究發(fā)現(xiàn)使用三氧化二鋁修飾的鈉金屬的全電池較使用普通鈉金屬的全電池可以得到更穩(wěn)定的循環(huán)性能。
這是首次通過原子層沉積技術(shù)對(duì)鈉金屬進(jìn)行表面包覆實(shí)現(xiàn)鈉金屬負(fù)極性能的重大提升。該研究不僅為開發(fā)高性能鈉金屬負(fù)極提供了新思路，也可有效應(yīng)用于其他涉及固液界面的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中。
