【研究背景】

得益于丰富的钠存储资源和低成本等优势，钠基储能器件（钠离子电池/钠金属电池）被视为下一代储能器件的候选者。然而，以上两种储能器件在多个方面仍有待改善：其中，钠离子电池存在能量密度低、反应动力学缓慢及电极应变大等问题；钠金属电池存在循环过程中因枝晶生长导致的库伦效率下降、体积膨胀、枝晶刺穿隔膜短路等问题。那么是否可以设计一种新的储能模式，能够结合钠离子电池和钠金属电池的优点，同时摒弃其缺点?

【文章简介】

基于以上研究背景，湖南大学吴英鹏教授课题组在期刊Small上发表题为“Dual Mechanism for Sodium based Energy Storage”的论文。本文首次提出双机理钠存储机制，兼具钠离子电池高安全性和钠金属电池高容量的优势，重点突破钠离子电池负极固有容量的限制和解决钠金属电池枝晶生长等问题，旨在构筑兼具高比能和长寿命特性的钠基储能器件。其中，设计适配型负极是实现高性能双机理协同储能器件的关键。研究团队的前期研究结果表明（Cell Rep. Phy. Sci., 2021，2，100553；Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2101868；J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 25746）：铋基电极具有高钠离子迁移和低反应能垒特性，这一结果确保了钠离子的快速传输。同时前人研究表明钠铋合金具有亲钠特性，可实现钠离子沉积过程局部电场的均匀化，为实现均匀的钠沉积提供保障。结合三维铋电极的结构优势，也可以有效缓解钠离子传输过程中的表面应力和结构应力。基于以上优势，本论文以自构建的三维铋作为研究模型验证双机理钠存储的可行性。研究结果表明，三维铋基于双机理储能模式下获得的负极（HNTB）包含两个电化学过程：合金/去合金过程和钠沉积/剥离过程。基于独特的储能机制，HNTB获得了优异的钠存储性能。以上结果表明，本研究所提出的双机理储能模式能够克服现有钠离子电池负极容量限制以及解决钠金属的枝晶生长问题，获得兼具高容量和无枝晶生长的钠基储能器件。此外，本研究不仅促进了钠基储能器件的发展，同时为其他新型储能器件的研发提供新理念。湖南大学化学化工学院博士研究生刘妙和硕士研究生张军飞为该论文的共同一作，吴英鹏教授和黄璐副教授为该论文的通讯作者。

【研究亮点】

阐明机制：首次提出双机理钠存储机制，该机制是连接钠离子电池和钠金属电池的纽带，基于双机理存储机制可获得高容量存储性能和无枝晶钠生长的混合型负极。

模型构建：本文以三维铋为模型验证双机理钠存储机制的可行性。研究表明，基于双机理钠存储机制和三维铋自身的优势（钠铋合金的亲钠特性和钠离子在三维铋中的快速传输特性），所构建的HNTB负极不仅能获得比传统合金铋更高的容量，同时实现了兼具高容量和无枝晶钠生长的钠基储能器件。

卓越性能：HNTB基于双机理存储机制取得了优异的钠存储性能（电流密度1 A g^-1条件下，固定容量1000 mAh g^-1可稳定1000小时；电流密度1 A g^-1条件下，固定容量2000 mAh g^-1可稳定800小时；电流密度1 A g^-1条件下，最大固定容量可达3100 mAh g^-1，稳定循环~600小时）。

原文链接：【能源学人公众号】https://mp.weixin.qq.com/s/we1oEDEoFoacffhos92_nQ