日本京都大学《AFM》：一种新型钠硫电池！适用于150°C中温操作

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‍尽管钠硫(Na-S)电池表现出高能量密度、长循环和可持续发展的巨大前景，但由于其工作温度高于300℃而带来的安全性、实用性和通用性问题严重阻碍了钠硫电池的应用。降低工作温度会由于形成绝缘的S/聚硫化物、降低钠离子在β“-氧化铝固体电解质(碱)中的导电性、在低于熔点的温度下金属钠金属枝晶生长以及发生穿梭效应等而阻碍钠硫电池的性能。

来自京都大学的学者提出了一种新型的钠硫电池，它集成了由基体和一种新型无机离子液体组成的双电解质，可用于150°C的中温操作。研究表明，这种离子液体具有高的离子导电性、宽的电化学窗口，以及良好的热稳定性和化学稳定性，这些都有利于中温操作。0.1mA(电极面积：0.785 cm^~2)下795mAh(g-S)⁻¹的高可逆容量和0.5mA下超过1000次循环的平均容量381mAh(g-S)⁻¹证明了在双电解质体系中使用离子液体来改善Na-S性能的可行性。相关文章以“A β”-Alumina/Inorganic Ionic Liquid Dual Electrolyte for Intermediate-Temperature Sodium–Sulfur Batteries”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202105524

图1.采用双碱/IL电解液的IT钠硫电池工作机理示意图。工作温度：150°C，IL：Na[OTF]-Cs[TFSA]。Na-导电碱阻碍了S_x^2-离子向负极室的穿梭，而IL促进了正电极室的电化学反应。

图2.Na[OTF]-Cs[TFSA]体系的性质。a)由DSC测量得出的摩尔比x(Na[OTF])在0至0.7范围内的主要吸热转变温度图。差示扫描量热法(DSC)曲线很复杂，表现出由多晶相和亚稳相的形成引起的多个转变，这是磺酰胺盐的典型特征。b)Na[OTF]-Cs[TFSA]IL(x(Na[OTF])=0.2)(黑色圆圈)与典型Na二次电池电解液的离子电导率的比较(黑色圆圈). c)Na[OTF]-Cs[TFSA]IL(x(Na[OTF])=0.2)粘度的Arrhenius图和相应的(VTF)方程。d)在150°C下，Na[OTF]-Cs[TFSA]IL(x(Na[OTF])=0.2)的组合。

图3.150°C下Na/BASE/Na对称电池(电极面积：0.785cm^~2)的恒流Na金属沉积-溶解性能。a)在400个循环(每周期0.4h)中，在0.2mA、0.5mA、1.0mA和2.0mA电流下测量对称电池的总电压差。在0.2、0.5、1.0和2.0 Ma条件下，每一步Na的沉积量和溶解量分别为0.0 5、0.13、0.2 5和0.5 1mAh cm⁻²。放大后的电压分别适用于电流b)0.2，c)0.5，d)1.0和e)2.0 mA的测量。f)对称电池在循环0、100、200、300和400周前后的奈奎斯特曲线图。频率范围：10 MHz-1 MHz，交流幅度：10 mV。

图4.使用双碱/IL电解质(IL=Na[OTF]-Cs[TFSA](x(Na[OTf])=0.2))(电极面积：0.785cm^~2，温度：150°C)的IT-Na/S电池的电化学性能。a)在0.1mA进行的测量的放电和充电比率。蓝色虚线表示与不同颗粒形成相对应的理论容量。b)充放电曲线；c)在0.2、0.5、1.0和2.0 mA电流下的倍率能力图。d)放电电压和充电电压曲线；e)0.5 mA长期循环试验中的循环性能曲线。

综上所述，本研究提出了一种新型的双碱/Na[OTF]Cs[TFSA]IL电解质，该电解质适用于150°C下的钠硫电池。Na[OTF]-Cs[TFSA]IL具有良好的物理化学性质，5.1V宽的电化学窗口，以及良好的热稳定性和化学稳定性，使其成为所提出的双电解质体系的合适组分。通过在对称Na/BASE/Na电池上进行400次循环的沉积-溶解实验，验证了固液混合平板电池中BASE的可靠性。所提出的双结合不仅通过碱的选择性钠传导阻止了聚硫醚穿梭效应等，而且还通过IL增强了正电极的反应性。相应地，ITNa-S电池达到795mAh(g-S)⁻¹的高可逆容量，在0.1mA(电极面积：0.785 cm^~2)下表现出显著的S利用率。在长循环试验中，在0.5 mA下循环1000次，平均容量为381mAh(g-S)⁻¹，平均库仑效率为100%。（文：SSC）

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