纳米能源:首次报道新型钠二氧化碳电池
Na _ 3Zr _ 2Si2PO _ 12 (NZSP)是一种具有钠超离子导体(NASICON)结构的无机固体电解质，对CO2稳定，最有发展前景。然而，固态Na-CO2电池受到正电极的缓慢动力学的限制。固态钠-二氧化碳电池的理想正极应该有利于电子、钠离子和二氧化碳气体的传导。然而，多孔正极和NZSP之间的点对点接触阻碍了离子扩散，导致电池失效。此外，钠金属的高反应性总是导致界面寄生反应，最终导致电池失效。
台湾省立大学茹教授、台湾省立师范大学舒教授、中科院金属所尹教授利用阳极上的塑性晶体界面和阴极上的动态稳定界面，首次制备了以为电解质的固态钠-二氧化碳电池。相关论文发表在《纳米能源》杂志上，题目是“采用NASICON结构固态电解质的钠二氧化碳电池”。
纸质链接:
/科学/文章/ABS/pii/s 2211285521002305
在本文提出的固态钠-二氧化碳电池中，钌纳米粒子修饰的多壁碳纳米管被用作催化阴极。在阴极中，相互接触的多孔碳纳米管形成气体通道，这促进了CO2的扩散。此外，碳纳米管上的sp2型碳提高了催化剂的导电性，从而提高了反应动力学。配位数减少的金属钌纳米粒子在改善CO2还原反应(CO2RR)和CO2沉淀反应(CO2ER)的反应动力学中起着重要作用。原位制备的丁二腈基(SN)塑性晶体界面使Ru/CNT与NZSP紧密接触，从而降低了界面电荷转移电阻。在负的方面，通过X射线光电子能谱(XPS)、X射线吸收谱(XAS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和密度泛函理论(DFT)的相互作用揭示了动态和稳定的界面相。动态稳定的界面相保护NZSP免受连续的界面寄生反应，从而使其具有优异的循环性能。在100 mA/g的电流下，所提出的固态钠-CO2电池的完全放电容量为28830mA·h/g..此外，当容量为500mA·h/g时，固态Na-CO2电池可稳定循环50次以上，在100 Ma/g时，电位差距为1.4 V..
图1。汇总数字
图二。(a)多孔阳极和NZSP之间的点对点接触图，这阻碍了阳极中的离子扩散。(b)锡润湿多孔阳极的表面以促进离子扩散。(Rietveld的精制NZSP的XRD图。(d)具有NASICON结构的NZSP模型图。(绿色ZrO6多面体，灰色Si(P)多面体，蓝色Na1原子，粉红色Na2原子，黄色Na3原子)(e)NZSP晶粒的表面SEM。(f)25:00时Au|NZSP|Au的奈奎斯特图。
图3。(a)Ru/CNT复合阴极的TEM图。(b)Ru/CNT阴极、CNT粉末和hcp-Ru的标准XRD图案。(c)Ru/CNT和Ru箔的X射线吸收近边缘结构(XANES)光谱。(d)Ru/CNT和Ru箔加权的EXAFS实验信号R空间和最佳拟合曲线的傅立叶变换(FT) k3。(e)具有7.5重量% NaClO4的Sn、纯SN和NaClO4的XRD图案。(f)Sn和NaClO4 (7.5%重量百分比)在50°和25°时的照片。
图4。(a)NZSP区块的国家密度。(b)NZSP和bcc块体Na的(001)、(100)、(101)三个低指数面费米能级的能带标定图。(zr3d信号的XPS。(四)P2P信号的XPS。(si2p信号的XPS。(f)原始NZSP和流通的NZSP P的X射线吸收近边结构谱..
图5。(a)固态钠-二氧化碳电池点亮红色LED。(b)固体钠-二氧化碳电池的完整放电图。固态电池在不同电流密度下的充放电曲线为(c) 50 mA/g，(e) 100 mA/g，(g) 200 Ma/g..固态电池在不同的电流密度(d) 50 mA/g，(f) 100 mA/g，(h) 200 mA/g下工作时，循环过程中电位间隙的演化图。
总的来说，固态Na-CO2电池是用NASICON结构的NZSP、金属钠负极和SN界面的Ru/CNT正极制备的。NZSP的高电导率(0.8 mS/cm)促进了电池在室温下的应用。在阴极侧，锡作为阴极中的离子导体起着重要的作用。没有锡，固态钠二氧化碳电池就无法工作。此外，Ru/CNT阴极表现出良好的催化活性。在SN的帮助下，电池的完全放电容量为28 830 mAh/g。在负极方面，通过XPS、XAS、FT-IR、EIS和DFT计算证实了动态和稳定的界面。具有电绝缘性能的动态和稳定的界面相抑制了连续的界面反应。由于三个导电正负电极的稳定性，固态电池在室温下表现出良好的电化学性能。但由于二氧化碳气体对金属钠的穿梭腐蚀，电池最终失效。迄今为止，用贵金属催化剂制备的固体钠-二氧化碳电池成本高，限制了其实际应用。在今后的研究中，有必要研究高性价比的催化剂和固体电解质，以降低系统的高成本。(正文:行走世界)
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