焦丽芳等人Angew.：无机-有机杂化多功能固体电解质相间层用于无树枝状钠金属负极！

研究内容

构建稳定、坚固的固体电解质界面(SEI)对于实现无枝晶钠金属负极和高性能钠电池至关重要。然而，在高电流密度下延长循环寿命期间保持SEI的完整性是一个重大挑战。

南开大学焦丽芳、Licheng Miao和中国人民武装警察部队后勤学院Yuchang Si提出了一种具有无机/有机杂化结构的集成多功能SEI层(IOHL-Na)，在重复电镀/剥离过程中提高钠金属负极的耐久性。具有高机械强度和强亲钠性的无机组分表现出优化的离子传导效率和枝晶抑制能力。同时，有机组分有助于形成致密和弹性的膜结构防止体积波动期间的断裂和分层问题。IOHL-Na的对称电池在4 mA cm^-2的高电流密度下实现了2000小时的稳定循环，具有约15.8 mV的极低电压滞后。相关工作以“Inorganic-Organic Hybrid Multifunctional Solid Electrolyte Interphase Layers for Dendrite-Free Sodium Metal Anodes”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1. 作者首先制备了一种由SnCl₂和4-氯-2,6-二甲基苯酚组成的溶液，该溶液可以与金属钠直接反应，生成具有均匀形态的坚固灵活的无机/有机杂化层。这种原位反应方法提供了简单性和可控性，能够根据前体溶液调节SEI组分比例。

要点2. 均匀分布的纳米晶体Sn和NaCl为集成的多功能SEI层提供了足够的刚性和快速的Na⁺扩散通道，诱导均匀的电场分布和加速的离子扩散动力学。钠离子的沉积行为被调节为平面延伸抑制了枝晶的生长行为。此外，有机芳族化合物有助于SEI膜形成光滑和完整的形态，在循环过程中适应巨大的体积膨胀并抑制有害的副反应。

要点3. IOHL-Na/Cu电池在电流密度为2 mA cm^-2和容量限制为2 mA h cm^-2的800次循环后，获得了98.5%的优异库仑效率。对称电池在4 mA cm^-2的高电流密度下在2000小时内也表现出一致的电镀/剥离性能，并且由于集成的多功能SEI层中刚性和柔性的共存而降低了过电位。

该工作为实现可靠的SMBs和实际应用的进展开辟了一条新的途径。

研究图文

图1. 不同类型SEI在钠金属负极上的演变过程示意图。

图2. a）IOHL-Na的制备示意图。b）Na₅簇和五个单独的Na原子在NaCl表面的结合能和吸附位点。c）裸Na和f）IOHL-Na的电场模拟。d，e）裸Na和g，h）IOHL-Na在恒定扩散30和60分钟后Na⁺的浓度场。i）IOHL-Na和裸Na的Tafel图和j）计算的交换电流密度(I₀)。k）温度相关倒数R_SEI的阿伦尼乌斯行为和计算的Na⁺通过SEI扩散的E_a。

图3. a）不对称电池在电流密度为2 mA cm^-2和容量为2 mA h cm^-2时的库仑效率，以及b）IOHL-Na和c）裸Na在铜箔上的电镀/剥离第1次、第100次、第200次、第300次、第400次和第500次循环时的相应电压分布。d）裸Na和IOHL-Na在4 mA cm^-2和4 mA h cm^-2下的恒电流剥离/电镀曲线以及局部放大的剥离/电镀曲线。e）IOHL-Na在1 mA h cm^-2下的倍率性能。f）对称式IOHL-Na电池以及最近的文献的电流密度、面积容量和累积容量的比较。g）对称电池在50次循环前后的Nyquist图。

图4. a）裸Na和b）IOHL-Na在2 mA cm^-2电流密度下的光学显微镜图像。c）裸Na和d）IOHL-Na在1 mA cm^-2和1 mA h cm^-2下循环100次后的俯视和横截面SEM。e）裸Na和f）IOHL-Na在循环前的3D AFM表面形貌。g）IOHL-Na中杨氏模量的对应直方图。h）裸Na和i）IOHL-Na在1 mA cm^-2和1 mA h cm^-2下循环100次后的3D AFM表面形貌。j）IOHL-Na中杨氏模量的对应直方图。

图5. IO-Na和IOHL-Na之间循环100次后的a）C 1s和b）Cl 2p高分辨率XPS。c）IOHL-Na║CNT/CP Na-O₂电池原理图。d）Na-O₂电池在0.5 mA cm^-2下的恒电流充电/放电性能。e）IOHL-Na║CNT/CP Na-O₂电池和f）裸Na║CNT/CP Na-O₂电池在1.5至3.0 V vs Na⁺/Na的电压范围内、不同循环的相应充电/放电曲线。

文献详情

Inorganic-Organic Hybrid Multifunctional Solid Electrolyte Interphase Layers for Dendrite-Free Sodium Metal Anodes

Pei Liu, Licheng Miao*, Zhiqin Sun, Xuchun Chen, Yuchang Si*, Qinglun Wang, Lifang Jiao*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202312413