【引言】

无钠金属制造方法（SMFM）被视为一种提高钠金属固态电池（SMSSBs）制造和性能的有效解决方案。与锂金属固态电池（LMSSBs）相比，SMSSBs因原材料的丰富性、可持续性以及成本效益而被视为轻型车辆和电网储能应用的更佳选择。然而，钠金属与氧气的反应性使得其制造过程复杂化，类似于锂基系统。SMFM技术通过在放电状态下组装电池并在原位电沉积金属钠负极，避免了处理氧气和水分敏感的金属钠的需要，从而简化了制造流程并提高了能量密度。尽管如此，形成均匀的金属钠负极是一个挑战，因为不均匀的钠沉积可能导致电流集中和钠丝穿透，从而引发短路。为了解决这一问题，研究人员采用了多种方法，包括将集流体（CC）与固态电解质（SE）层压以确保紧密接触，或者使用合金负极来实现均匀无枝晶的锂沉积。这些方法在LMSSBs中取得了成功，但在SMSSBs中可能面临不同的挑战，如高温层压可能引入额外的复杂性，而直接放置CC可能导致界面接触不良。因此，开发能够增强钠在CC上的润湿性，促进均匀接触并实现均匀钠沉积的方法至关重要。

近日，密歇根大学Jeff Sakamoto团队提出了一种简单的方法，通过在NASICON SE上附加Au-铝CC，展示了在负极CC和SE之间实现均匀钠成核/沉积的能力，无需钠丝穿透。这一发现为未来全固态钠负极的制造流程提供了新的见解，并为钠金属成核和生长的理解提供了新的视角。该成果以 《Enabling ‘Sodium−Metal-Free’ Manufacturing of Solid-State Batteries》 为题发表在《ACS Energy Letters》上，第一作者是 Kang-Ting Tseng。

【工作要点】

研究人员展示了一种无需使用钠金属的制造方法，通过在NASICON固态电解质上放置一个基于铝箔的集流体（CC），并在上面功能化一层大约96纳米厚的金层，成功实现了2.0 mAh cm−2的均匀钠金属负极沉积。这种处理显著提升了钠负极的均匀性，并且证明了原位镀上的钠金属是均匀且密集的，能够在超过90%的库仑效率下实现可逆的剥离和沉积。通过这种方法，研究人员不仅提高了钠金属的成核和生长的均匀性，还避免了因电流集中导致的钠丝穿透现象，从而降低了短路的风险。此外，使用铝箔代替铜箔作为集流体，不仅降低了制造成本，还因为铝的轻量特性提高了电池的能量密度。这项工作为钠金属固态电池的制造提供了新的理解和方法，推动了全固态钠负极的商业化进程。

图1：展示了本研究中使用的电池配置的示意图。(A) 定制的金-铝集流体/NASICON/钠电池。(B) 描述了在金-铝集流体上原位镀钠的过程。

图2：展示了使用SMFM电池设计进行原位钠沉积的电压曲线。(A) 在裸铝箔上以0.05 mA cm−2的电流密度进行原位钠沉积的电压曲线。(B) 在金-铝箔上以0.5 mA cm−2的电流密度进行原位钠沉积的电压曲线。(C) 在金-铝集流体上原位钠沉积前后的电化学阻抗谱（EIS）。(D) 不同电极位置（中心、中间和边缘）的原位钠负极的横截面图像。(E) 钠成核后的扫描电镜（SEM）图像，显示了在金-铝集流体和NASICON颗粒上的钠成核情况。

图3：展示了原位钠沉积后续行为的电压曲线。(A) 在0.5 mA cm−2的电流密度和5.6 MPa的压力下，原位钠沉积和剥离的第一个周期的电位曲线。(B) 第一次和第二次原位钠沉积后电池的Nyquist图。(C) 第一次剥离后电池的横截面SEM图像。(D) 第二次沉积后电池的横截面SEM图像。

【结论】

本研究成功展示了通过集成金-铝集流体实现钠金属固态电池（SMSSBs）的钠金属无制造（SMFM）方法的可行性。研究人员证明了在室温下，以0.5 mA cm−2的电流密度稳定地原位镀上钠是可能的，消除了确保集流体和固态电解质之间紧密接触所需的高温层压的必要性。此外，通过剥离和重新沉积，研究人员发现金-钠合金在界面上保持一致且均匀分布，显示出有希望的循环稳定性。这种简单直接的方法对于推进SMSSBs的SMFM在成本效益和实际制造过程中具有重要意义。然而，考虑到金金属的高成本，寻找金属间层的更经济的替代品将是未来工作的必要方向。因此，未来的研究应该探索更便宜的金属间层替代品。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.4c01724

文章来源：电化学能源

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