[Nature nanotechnology] 我室杨勇教授在可充钠金属电极的固体核磁共振技术研究上取得重要进展

发布日期:2020年09月14日   浏览次数:

近日,我室杨勇教授课题组在可充钠金属电极的固体核磁共振技术研究上取得重要进展,相关成果以“Visualizing the growth process of sodium microstructures in sodium batteries by in-situ 23Na MRI and NMR spectroscopy”为题,2020727号在线发表于《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology DOI10.1038/s41565-020-0749-7)。

由于钠元素资源丰富且成本较低,有望应用于规模化储能电池领域,近年来安全长寿命的钠基电池引起了人们极大的兴趣。钠金属负极具有1165 mA h g-1的高理论比容量和-2.71 V的低工作电压,这使其成为钠基电池的理想负极材料。然而,由于在充放电过程中容易生成钠金属微结构(SMSs,即枝晶状和苔藓状的Na金属)并在电极表面固体电解质界面(SEI)层的堆积,限制了其实际应用。另外钠金属微结构的生长随时间演化,很难通过常规的非原位分析方法来表征,迫切需要一种原位表征技术来定量研究其生长和演化过程,理解其对钠金属电化学溶解-沉积过程的影响。杨勇教授团队发展了原位23Na磁共振成像(MRI)和原位核磁共振(Operando NMR)技术,为钠金属微结构的形成和演化提供空间分辨和定量的认知。实验结果表明,不断增长的SMSs首先会导致沉积过电位线性增加,直到达到0.15 V的过渡电压为止。此时触发电解液的剧烈电化学分解,从而导致生成苔藓型的SMSs和电池的快速失效。此外,借助23Na高分辨魔角旋转核磁结果也证明了钠金属表面SEINaH的存在。

近年来,杨勇教授课题组致力于发展先进的固体核磁技术用于电化学能源材料的研究。例如他们通过合理的材料结构设计和体相/界面调控,利用高分辨魔角旋转固体核磁技术对锂离子正极材料(Nature Energy 2, 17074 (2017)Journal of Power Sources 412 (2019) 336–343),钠离子电池正极材料(Angew.Chem. Int. Ed. 2018, 57,11918 –11923Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 18086-18095;)的充放电反应机理以及固态电池与固体电解质材料(Materials Today 202036139-163Nano Energy 67 (2020) 104252Chem. Mater. 2020, 32, 49985008)等进行了深入的研究。和美国国家高磁场实验室联合研发的电化学-原位固体核磁技术装置用于研究负极材料的充放电机理( Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7,19793)以及追踪界面金属枝晶的生长(Nature Nanotechnology (2020))等。

该工作得到了美国国家强磁场实验室傅日强教授、中科院海西副研究员钟贵明(共同通讯)、以及剑桥大学金艳婷博士的支持和帮助。 论文第一作者是杨勇教授课题组博士研究生向宇轩。研究工作得到科技部重点研发计划(2018YFB09054002016YFB0901502)及国家自然科学基金(219350092176113203021603231的大力资助和支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-020-0749-7