中國粉體網訊 自上世紀90年代初二次鋰離子電池得以商業(yè)化以來，基于鋰離子的二次電池技術受到了普遍的關注并且在便攜式電子產品中得到了廣泛的使用。隨著電動汽車的發(fā)展，鋰離子電池的需求持續(xù)增加。然而鋰是一種稀有金屬，其在地殼中的儲量僅占0.002%左右，并且其分布不均勻等因素都將制約鋰離子電池的進一步大規(guī)模應用。
與鋰相比，鈉具有資源豐、分布廣泛和成本低廉等特點，鈉離子電池近年來得到了大量的關注和廣泛的研究�；诮诘目焖侔l(fā)展，鈉離子電池正極材料的研發(fā)已接近鋰離子電池的水平。鈉離子電池的實用化現如今主要在于缺乏較好的負極材料。
受近期鋰金屬負極開發(fā)的啟發(fā)，研究熱點開始移向了金屬鈉。作為負極材料，金屬鈉展現出最負的電勢（-2.714 V vs. 標準氫電極）和高達1165 mAh/g的理論容量，具有巨大的潛力。然而金屬類負極材料常常表現出較差的穩(wěn)定性和安全性，上世紀70年代開發(fā)的以鋰金屬為負極的二次電池事故頻發(fā)，難以得到市場的認可。此類金屬負極的主要問題在于金屬-電解液界面上的離子分布不勻，固體電解液界質膜的不穩(wěn)定，樹枝狀的枝晶生長以及這些問題帶來的使用壽命和安全性的問題。
為解決鋰金屬負極的問題，已提出的電解液的改進，隔膜的修飾，構筑多維集流體以及構建鋰金屬三維載體等方法取得了一定的進展。但是，鈉金屬負極的研究還處于初級階段，得到穩(wěn)定的安全的鈉金屬負極既是實現高能量密度鈉金屬電池，包括鈉硫電池、鈉空電池的關鍵也是一個巨大的挑戰(zhàn)。
近期，美國馬里蘭大學胡良兵教授課題組羅巍博士與Rubloff教授課題組林泉富博士合作利用原子層沉積技術對鈉金屬進行表面包覆，顯著地提升了鈉金屬負極的性能。由于鈉金屬熔點較低（98 °C），林博士等人開發(fā)的等離子體增強原子層沉積系統(tǒng)在75 °C的條件下實現了在鈉金屬表面三氧化二鋁的可控沉積，避免了高溫下鈉金屬溶化的問題。此類表面三氧化二鋁的包覆有效地避免了鈉金屬表面與電解液的直接接觸，可起到人工固體電解液界質膜的作用。
在隨后的鈉金屬//鈉金屬對稱電池的研究中，具有薄層三氧化二鋁（~3 nm）修飾的鈉金屬在電流密度為0.25 mA/cm2時可有效循環(huán)450 小時。相反，普通的鈉金屬在相同條件下循環(huán)250小時后出現不穩(wěn)定現象。掃描電鏡觀察發(fā)現，循環(huán)后的普通鈉金屬表面呈現出枝晶狀形貌，而具有薄層三氧化二鋁（~3 nm）修飾的鈉金屬表面依然平整，證明了表面的三氧化二鋁薄層有效地抑制了枝晶的生長及電解液的分解與耗損。當電流密度提高到0.5 mA/cm2時，具有三氧化二鋁修飾的鈉金屬可穩(wěn)定循環(huán)120小時，而普通的鈉金屬僅循環(huán)60小時后即不穩(wěn)定。通過匹配O3-Na0.9[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2類正極材料組裝全電池，該研究發(fā)現使用三氧化二鋁修飾的鈉金屬的全電池較使用普通鈉金屬的全電池可以得到更穩(wěn)定的循環(huán)性能。
這是首次通過原子層沉積技術對鈉金屬進行表面包覆實現鈉金屬負極性能的重大提升。該研究不僅為開發(fā)高性能鈉金屬負極提供了新思路，也可有效應用于其他涉及固液界面的電化學儲能技術中。
