日内瓦大学(UNIGE)和Empa的研究团队已开发出一种新型固态钠电池的原型,具有储存额外能量和提高安全性的潜力。
基于NaCrO2阴极、闭合硼酸盐固体电解质(closo-borate solid electrolyte)和金属钠阳极,该电池表现出可逆和稳定的循环,在C/20和C/5放电倍率下,其电荷比容量可分别达到85mAh/g和80mAh/g,其充放电分别为20和250次循环,而且,仍具备良好的容量保持率。
Duchene表示,可充电的全固态电池具有更高的能量密度和操作安全性。近年来,已经鉴定了几类具有高离子电导率的固态电解质,但电极与固态电解质之间的兼容性问题,使其整合到完整电池单元中成为挑战。该3V全固态钠离子电池使用基于闭合硼酸盐的电解质、金属钠阳极和NaCrO2阴极,改进了电解质与阴极之间的固相界面,证明了其可在C/20的速率下维持稳定且有效的循环,并进一步讨论了材料对高电压的稳定性。
硼酸盐钠离子导体在20℃时具有0.9mS/cm的高Na+电导率,并具有高达300℃以上的优异的热稳定性,并具备电化学稳定性。此外,由于闭合硼酸盐是无机导体,因此可消除充电时电池起火的危险。
研究人员在添加钠铬氧化物粉末之前,将部分电池电解质溶解在溶剂中。当溶剂蒸发后,他们将阴极粉末复合物与电解液和阳极堆叠在一起,压缩各层以形成电池。该项目的负责人Arndt Remhof表示:“封闭硼酸盐固体电解质可承受3V的电压,而以前研究过的许多固体电解质在相同的电压下会损坏。”
由于电解质的分解,电池在电解液稳定窗口(stability window)外的循环电压下,表现出更快的衰减性。由于枝晶的形成,室温循环是不可能的。
Duchene表示,因此,我们的研究结果证实了固态电池设计的范式转换(change of paradigm),即从电导率改进到界面优化,并证明了在这种高性能全固态电池的新发展战略中,闭合硼酸盐电解液发挥着重要作用。