-60 °C，无需电解质修饰！南开大学陈军院士/苏州大学，重磅JACS！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-07 08:18

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钠离子电池（SIBs）已经成为商业锂离子电池（LIBs）大规模储能的理想替代品，因为钠资源的丰富的可用性和它们的现成的可用性。然而，一般的SIBs在快充和低温条件下仍然会遭受快速的能量损失，类似于LIBs。

在此， 南开大学陈军、章炜，苏州大学高立军、赵建庆等人 将碳纳米管与碳包覆的Na ₃ V ₂ O ₂ (PO ₄ ) ₂ F正极纳米粒子的表面相连，即利用碳纳米管捕获纳米粒子在充电过程中释放的Na ⁺ 离子。Na ⁺ 的运动仅限于类神经元正极内部，消除了电解质和正极之间的离子传输。

基于此，与未经修饰的正极相比，界面电荷转移电阻降低了14倍，从而实现了优异的快充性能和高达200C的优异循环性能。此外，该电极可在低温-60 °C下可逆运行，而无需电解质修饰，超过了迄今为止报道的其他Na ₃ V ₂ O ₂ (PO ₄ ) ₂ F基电池。

图1. 消除正极-电解质界面电荷转移的生物启发设计

总之，该工作基于碳纳米管的均匀分散和功能化设计了一个类似神经元的正极。即利用碳纳米管作为轴突来限制Na离子在正极内的传输，消除了正极和电解质之间的离子传输。该种设计模式避免了已经存在了两个多世纪的电极−电解质界面上的传统离子传输模式。

通过利用界面敏感操作表征方法和成分分析，作者对离子输运约束过程中的动力学和相关的结构演化有了全面的了解。通过消除正极侧界面离子输运的耗能过程进而显著降低了电荷转移和界面膜电阻，同时提高了Na ⁺ 离子在活性纳米颗粒内的扩散率。基于此，该类神经元正极||TiO ₂ 软包电池表现出优异的电池性能。因此，该工作为钠离子电池在极端环境下的应用提供了新方向。

图2. 低温下类神经元正极钠电池的电化学性能

Eliminating Charge Transfer at Cathode-Electrolyte Interface for Ultrafast Kinetics in Na-Ion Batteries, Journal of the American Chemical Society 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c08191