休斯顿大学姚彦课题组最新Angew封面：基于有机电极材料的全固态钠电池

传统锂离子电池因为采用易挥发且易燃易爆的有机液态电解液，其安全隐患一直备受关注。采用无机固态电解质（以氧化物和硫化物为主要代表）取代有机液态电解质的全固态电池将从根本上解决传统电池的安全问题。氧化物固态电解质具有高的离子导电率，电压窗口宽，但其与电极材料之间较大的接触阻抗限制了其在全固态电池中的应用以及循环寿命。相对而言，硫化物固态电解质因为具有更好的可加工性与电极材料有更好的界面接触，因而被视为有应用前景的全固态电池的电解质体系。其主要的挑战是其较窄的电压窗口与传统无机电极材料工作电压窗口的不兼容，在充放电过程中电解质不可避免会发生分解，这会显著影响硫化物全固态电池的循环寿命。因此开发与硫化物电解质在电化学方面兼容的电极材料将是首要的解决方案。

休斯顿大学（University of Houston）的姚彦教授（点击查看介绍）团队在过去几年一直致力于开发高比容量、高安全、长寿命和低成本的新型储能材料。他们开发的有机醌类电极材料已成功用于有机电解液电池（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 4956–4959）、水系电池（Nat. Mater., 2017, 16, 841-848，点击阅读详细）等。最近，他们首次提出将有机电极材料用于全固态硫化物钠电池中，以解决无机电极材料与硫化物电解质的不兼容性问题。在该研究中，他们将天然存在的玫棕酸钠（Na₂C₆O₆）经过了化学修饰得到一种既可以做正极材料又可以做负极材料的Na₄C₆O₆有机电极材料，这种材料不仅在化学方面，特别是在电化学方面与钠离子硫化物电解质（Na₃PS₄）具有极佳的兼容性。由Na₄C₆O₆有机电极材料和Na₃PS₄无机硫化物固态电解质组装而成的全固态电池表现出比目前已报道的全固态钠电池更好的循环稳定性。

图1. Na₄C₆O₆作为正极材料的全固态钠电池Na₄C₆O₆|Na₃PS₄|Na₁₅Sn₄的电化学性能。（a）全固态钠电池的示意图；（b）正极/电解质截面SEM和相应的EDX照片；（c）电池在60 ℃，0.1C下充放电的电压曲线和循环稳定性；（d）电池的倍率性能；（e）电池在60 ℃，0.2C下充放电的长循环稳定性。

Na₄C₆O₆作为正极材料（图1），在与Na₃PS₄固态电解质匹配后，具有182 mAh/g的可逆比容量，接近于90%的理论比容量，首圈库伦效率达到99%，明显优于传统无机电极材料。在60 ℃，0.1 C下经过100圈循环后，仍表现出140 mAh/g的比容量，特别是在0.2 C下经过400圈循环，仍有107 mAh/g的比容量，容量保持率为70%，这一数值是目前全固态钠电池中（包括氧化物电解质体系）最好的。出色的循环稳定性主要源于Na₄C₆O₆和Na₃PS₄本质上的电化学兼容性。尽管Na₄C₆O₆电极材料电压较低（2.15 V vs. Na⁺/Na），但是如果以金属Na作为负极计算，Na₄C₆O₆的可逆比能量（活性材料）仍可以达到395 Wh/kg，这一数值优于目前大部分基于插层类电极材料的全固态钠电池。

Na₄C₆O₆作为负极材料（图2），同样表现出优异的电化学性能（在0.1 C倍率下，可逆比容量172 mAh/g；在0.2 C倍率下，经过400圈循环，容量保持率68%）。并且基于以上研究，该研究团队成功组装了一个全有机电极材料的全固态钠电池。

图2. Na₄C₆O₆作为负极材料的全固态钠电池Na₄C₆O₆|Na₃PS₄|Na₁₅Sn₄的电化学性能：（a）电池在60 ℃，0.1C下充放电的电压曲线和循环稳定性；（b）Na₄C₆O₆|Na₃PS₄| Na₄C₆O₆全有机电极材料电池的循环性能；（c）电池在60 ℃，0.2 C下充放电的长循环稳定性。

此项研究工作最近以封面论文的形式发表在国际化学类顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的作者为休斯敦大学的迟晓伟、梁衍亮、郝放、章也、董晖、胡朴和科罗拉多大学波尔得分校的Justin Whiteley和Seehe Lee教授，通讯作者为姚彦教授。

当前封面（DOI: 10.1002/anie.201801717）

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Tailored Organic Electrode Material Compatible with Sulfide Electrolyte for Stable All-Solid-State Sodium Batteries

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 2630-2634, DOI: 10.1002/anie.201712895

导师介绍

姚彦

http://www.x-mol.com/university/faculty/41625

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